定向进化知识库
四层知识为 Agent 的决策提供依据：氨基酸理化性质、BLOSUM62 保守/激进替换判定、 10 条蛋白质工程设计规则，以及由「氨基酸–性质–位点–突变–变体」构成的知识图谱。 关键设计是规则可被实验证据推翻 —— 先验不能压制数据。
氨基酸理化性质表
Kyte & Doolittle 疏水性 · Zamyatnin 侧链体积 · Chou-Fasman 二级结构倾向 · Vihinen 柔性
| 残基 | 名称 | 极性分类 | 疏水性 | 体积 ų | 电荷 | 分子量 | α 螺旋倾向 | β 股倾向 | 柔性 | 芳香 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | Alanine (Ala) | 疏水/非极性 | +1.8 | 88.6 | +0.0 | 89.09 | 1.42 | 0.83 | 0.36 | |
| C | Cysteine (Cys) | 极性不带电 | +2.5 | 108.5 | +0.0 | 121.16 | 0.70 | 1.19 | 0.35 | |
| D | Aspartate (Asp) | 负电荷 | -3.5 | 111.1 | -1.0 | 133.10 | 1.01 | 0.54 | 0.51 | |
| E | Glutamate (Glu) | 负电荷 | -3.5 | 138.4 | -1.0 | 147.13 | 1.51 | 0.37 | 0.50 | |
| F | Phenylalanine (Phe) | 疏水/非极性 | +2.8 | 189.9 | +0.0 | 165.19 | 1.13 | 1.38 | 0.31 | ✓ |
| G | Glycine (Gly) | 疏水/非极性 | -0.4 | 60.1 | +0.0 | 75.07 | 0.57 | 0.75 | 0.54 | |
| H | Histidine (His) | 正电荷 | -3.2 | 153.2 | +0.5 | 155.16 | 1.00 | 0.87 | 0.32 | ✓ |
| I | Isoleucine (Ile) | 疏水/非极性 | +4.5 | 166.7 | +0.0 | 131.17 | 1.08 | 1.60 | 0.46 | |
| K | Lysine (Lys) | 正电荷 | -3.9 | 168.6 | +1.0 | 146.19 | 1.16 | 0.74 | 0.47 | |
| L | Leucine (Leu) | 疏水/非极性 | +3.8 | 166.7 | +0.0 | 131.17 | 1.21 | 1.30 | 0.37 | |
| M | Methionine (Met) | 疏水/非极性 | +1.9 | 162.9 | +0.0 | 149.21 | 1.45 | 1.05 | 0.30 | |
| N | Asparagine (Asn) | 极性不带电 | -3.5 | 114.1 | +0.0 | 132.12 | 0.67 | 0.89 | 0.46 | |
| P | Proline (Pro) | 疏水/非极性 | -1.6 | 112.7 | +0.0 | 115.13 | 0.57 | 0.55 | 0.51 | |
| Q | Glutamine (Gln) | 极性不带电 | -3.5 | 143.8 | +0.0 | 146.15 | 1.11 | 1.10 | 0.49 | |
| R | Arginine (Arg) | 正电荷 | -4.5 | 173.4 | +1.0 | 174.20 | 0.98 | 0.93 | 0.53 | |
| S | Serine (Ser) | 极性不带电 | -0.8 | 89.0 | +0.0 | 105.09 | 0.77 | 0.75 | 0.51 | |
| T | Threonine (Thr) | 极性不带电 | -0.7 | 116.1 | +0.0 | 119.12 | 0.83 | 1.19 | 0.44 | |
| V | Valine (Val) | 疏水/非极性 | +4.2 | 140.0 | +0.0 | 117.15 | 1.06 | 1.70 | 0.39 | |
| W | Tryptophan (Trp) | 疏水/非极性 | -0.9 | 227.8 | +0.0 | 204.23 | 1.08 | 1.37 | 0.31 | ✓ |
| Y | Tyrosine (Tyr) | 极性不带电 | -1.3 | 193.6 | +0.0 | 181.19 | 0.69 | 1.47 | 0.42 | ✓ |
关键替换的性质变化
BLOSUM62 分类 + 理化性质差值，Agent 的推荐理由直接引用这些数值
| 替换 | 类别 | BLOSUM62 | Δ体积 | Δ疏水性 | Δ电荷 |
|---|---|---|---|---|---|
| D40W | 激进替换 | -4 | +116.7 | +2.6 | +1.0 |
| D40Y | 激进替换 | -3 | +82.5 | +2.2 | +1.0 |
| V39F | 偏激进替换 | -1 | +49.9 | -1.4 | +0.0 |
| V39I | 保守替换 | +3 | +26.7 | +0.3 | +0.0 |
| G41A | 中性替换 | +0 | +28.5 | +2.2 | +0.0 |
| G41P | 偏激进替换 | -2 | +52.6 | -1.2 | +0.0 |
| V54A | 中性替换 | +0 | -51.4 | -2.4 | +0.0 |
| V54C | 偏激进替换 | -1 | -31.5 | -1.7 | +0.0 |
位点结构注释
GB1 二级结构：β1 2-8 · β2 13-19 · α螺旋 23-36 · β3 42-46 · β4 51-55
V39
α螺旋→β3 连接环 (37-41)
部分埋藏
靠近 IgG Fc 结合界面边缘，疏水侧链有助于界面堆积，对体积变化中等敏感。
D40
α螺旋→β3 连接环 (37-41)
表面暴露
完全溶剂暴露的界面热点，野生型带负电；替换为大芳香残基常能新增结合界面接触。
G41
α螺旋→β3 连接环 (37-41)
主链受限
甘氨酸处于常规残基不利的主链二面角区域，任何侧链都可能造成局部张力，单点替换风险极高。
V54
β4 折叠股 (51-55)
埋藏于疏水核
位于 β 折叠内部，需要维持 β 股氢键与疏水堆积，忌引入脯氨酸或强极性残基。
突变设计规则库
硬性规则直接否决候选，软性规则以扣分形式影响排序
R1
序列合法性
硬性否决
只允许 20 种标准氨基酸，杜绝终止密码子与非标准残基。
R2
突变数量上限
硬性否决
总突变数不得超过文库允许的 4 个位点。
R3
单轮突变跨度
软性扣分
相对设计骨架通常改动不超过 2 个位点；超限候选允许探索但扣分，所有突变都有实验证据时跨度惩罚减半。
R4
保守/激进替换平衡
软性扣分
相对野生型的激进替换（BLOSUM62 ≤ -3）建议不超过 2 个；超出时增加惩罚。
R5
β 折叠股禁脯氨酸
硬性否决
位点 54 位于 β4 股，引入脯氨酸会破坏主链氢键网络。
R6
自由半胱氨酸风险
软性扣分
新引入的自由巯基可能造成错误二硫键或聚集。
R7
主链受限位点
软性扣分
位点 41 的甘氨酸处于特殊主链二面角区域；除非存在上位效应证据，否则不建议改动。
R8
净电荷平衡
软性扣分
净电荷变化不超过 ±2，避免破坏结合界面的静电互补。
R9
复用历史有益突变
软性扣分
优先组合历史上已验证有益的单点突变。
R10
规避已知低功能突变
软性扣分
避免引入历史上判定为低功能的单点突变。
💡
规则库的核心设计：先验可被证据推翻。
R7 对位点 41 的替换施加风险惩罚。当双突变实测结果表明某个有害单点的效应方向
在伙伴突变背景下转为有益时，R7、R10 可按有条件放行处理；
R3 的跨度惩罚在所有突变都有历史证据支撑时减半。
双突变证据不保证高阶组合仍有益；该机制对搜索效率的实际影响见进化实验页的配对消融。
上位效应：最有价值的科学信号
epistasis = 观测 log-fitness − 加性期望；设计价值评分同时奖励高绝对适应度与强协同
| 突变 A | 突变 B | 组合适应度 | 上位效应 | 设计价值 | 类型 |
|---|---|---|---|---|---|
| V39W | G41L | 2.087 | +3.720 | 2.182 | 符号上位 |
| V39W | G41F | 2.553 | +3.217 | 2.017 | 符号上位 |
| G41L | V54G | 3.145 | +2.767 | 1.882 | 符号上位 |
| G41F | V54G | 2.651 | +2.102 | 1.476 | 符号上位 |
| G41C | V54A | 3.687 | +1.582 | 1.359 | 符号上位 |
| G41A | V54A | 4.158 | +1.368 | 1.304 | 符号上位 |
| G41A | V54G | 2.368 | +1.824 | 1.288 | 符号上位 |
| G41C | V54G | 1.919 | +1.999 | 1.285 | 符号上位 |
| G41M | V54G | 1.089 | +2.241 | 1.161 | 符号上位 |
| G41Y | V54G | 1.049 | +2.213 | 1.131 | 符号上位 |
| V39Y | G41F | 1.024 | +2.218 | 1.123 | 符号上位 |
| V39K | D40Y | 2.455 | +1.325 | 1.054 | 正向协同 |
| G41L | V54T | 1.118 | +1.965 | 1.035 | 符号上位 |
| V39H | D40Y | 2.487 | +1.248 | 1.022 | 正向协同 |
| V39C | D40Y | 4.073 | +0.622 | 0.922 | 符号上位 |
知识图谱统计
375 条三元组 · 134 个节点
氨基酸知识库
理化性质空间与 BLOSUM62 替换矩阵
上位效应分析
双突变观测值与加性期望的偏离
知识图谱
氨基酸–性质–位点–突变–变体 的关系网络
位点集中度
各策略的推荐突变分布与假设产出