Was macht ESM: Evolutionäre Skalierungsmodellierung?
Überblick
ESM bietet Protein-Sprachmodelle zum Verstehen, Generieren und Designen von Proteinen. Verwenden Sie diesen Skill für aktuelle EvolutionaryScale-/Biohub-Workflows: ESM3 für generatives Design, ESMC für Repräsentationslernen und Embeddings, gehostete Forge-/Biohub-Inferenz und ESMFold2 All-atom-Strukturvorhersage.
Kernfunktionen
1. Proteinsequenzgenerierung mit ESM3
Generieren Sie neuartige Proteinsequenzen mit gewünschten Eigenschaften mithilfe von multimodalem generativen Modellieren.
Wann verwenden:
- Entwurf von Proteinen mit spezifischen funktionellen Eigenschaften
- Vervollständigung partieller Proteinsequenzen
- Erzeugung von Varianten vorhandener Proteine
- Erstellung von Proteinen mit gewünschten Strukturmerkmalen
Grundlegende Verwendung:
from esm.models.esm3 import ESM3
from esm.sdk.api import ESM3InferenceClient, ESMProtein, GenerationConfig
# Lokales Öffnen der Gewichte nach Akzeptieren der Lizenz auf Hugging Face.
model: ESM3InferenceClient = ESM3.from_pretrained("esm3-open").to("cuda")
# Protein-Prompt erstellen
protein = ESMProtein(sequence="MPRT___KEND") # '_' repräsentiert maskierte Positionen
# Vervollständigung generieren
protein = model.generate(protein, GenerationConfig(track="sequence", num_steps=8))
print(protein.sequence)
Für Remote-/Cloud-Nutzung über die Forge-API:
import os
import esm
from esm.sdk.api import ESMProtein, GenerationConfig
# Gleiches Interface wie lokales ESM3; Token von ESM_API_KEY (siehe Authentifizierung)
model = esm.sdk.client("esm3-medium-2024-08", token=os.environ["ESM_API_KEY"])
# Generieren
protein = model.generate(protein, GenerationConfig(track="sequence", num_steps=8))
Siehe references/esm3-api.md für detaillierte ESM3-Modellspezifikationen, erweiterte Generierungskonfigurationen und multimodale Promptbeispiele.
2. Strukturvorhersage und Inverses Falten
Verwenden Sie die ESM3-Strukturspur für die Strukturvorhersage aus Sequenzen oder inverses Falten (Sequenzdesign aus Struktur).
Strukturvorhersage:
from esm.sdk.api import ESM3InferenceClient, ESMProtein, GenerationConfig
# Struktur aus Sequenz vorhersagen
protein = ESMProtein(sequence="MPRTKEINDAGLIVHSP...")
protein_with_structure = model.generate(
protein,
GenerationConfig(track="structure", num_steps=protein.sequence.count("_"))
)
# Vorhergesagte Struktur abrufen
coordinates = protein_with_structure.coordinates # 3D-Koordinaten
pdb_string = protein_with_structure.to_pdb()
Inverses Falten (Sequenz aus Struktur):
# Sequenz für eine Zielstruktur entwerfen
protein_with_structure = ESMProtein.from_pdb("target_structure.pdb")
protein_with_structure.sequence = None # Sequenz entfernen
# Sequenz generieren, die sich zu dieser Struktur faltet
designed_protein = model.generate(
protein_with_structure,
GenerationConfig(track="sequence", num_steps=50, temperature=0.7)
)
3. Protein-Embeddings mit ESM C
Generieren Sie qualitativ hochwertige Embeddings für nachgelagerte Aufgaben wie Funktionsvorhersage, Klassifikation oder Ähnlichkeitsanalyse.
Wann verwenden:
- Extrahieren von Proteinrepräsentationen für maschinelles Lernen
- Berechnen von Sequenzähnlichkeiten
- Merkmalsextraktion für Proteinklassifikation
- Transferlernen für proteinbezogene Aufgaben
Grundlegende Verwendung:
from esm.models.esmc import ESMC
from esm.sdk.api import ESMProtein, LogitsConfig
# ESM C-Modell laden
model = ESMC.from_pretrained("esmc_300m").to("cuda")
# Embeddings abrufen
protein = ESMProtein(sequence="MPRTKEINDAGLIVHSP...")
protein_tensor = model.encode(protein)
logits_output = model.logits(
protein_tensor,
LogitsConfig(sequence=True, return_embeddings=True),
)
embeddings = logits_output.embeddings
Batch-Verarbeitung:
# Mehrere Proteine encodieren
proteins = [
ESMProtein(sequence="MPRTKEIND..."),
ESMProtein(sequence="AGLIVHSPQ..."),
ESMProtein(sequence="KTEFLNDGR...")
]
embeddings_list = [
model.logits(
model.encode(p),
LogitsConfig(sequence=True, return_embeddings=True),
).embeddings
for p in proteins
]
Siehe references/esm-c-api.md für Details zu ESM C-Modellen, Effizienzvergleiche und erweiterte Embedding-Strategien.
4. Funktionskonditionierung und Annotation
Verwenden Sie die ESM3-Funktionsspur, um Proteine mit spezifischen funktionellen Annotationen zu generieren oder Funktionen aus Sequenzen vorherzusagen.
Funktionskonditionierte Generierung:
from esm.sdk.api import ESMProtein, FunctionAnnotation, GenerationConfig
# Protein mit gewünschter Funktion erstellen
protein = ESMProtein(
sequence="_" * 200, # 200-Reste-Protein generieren
function_annotations=[
FunctionAnnotation(label="fluorescent_protein", start=50, end=150)
]
)
# Sequenz mit spezifizierter Funktion generieren
functional_protein = model.generate(
protein,
GenerationConfig(track="sequence", num_steps=200)
)
5. Chain-of-Thought-Generierung
Verfeinern Sie Proteindesigns iterativ mit dem Chain-of-Thought-Ansatz von ESM3.
from esm.sdk.api import GenerationConfig
# Mehrstufige Verfeinerung
protein = ESMProtein(sequence="MPRT" + "_" * 100 + "KEND")
# Schritt 1: Anfangsstruktur generieren
config = GenerationConfig(track="structure", num_steps=50)
protein = model.generate(protein, config)
# Schritt 2: Sequenz basierend auf Struktur verfeinern
config = GenerationConfig(track="sequence", num_steps=50, temperature=0.5)
protein = model.generate(protein, config)
# Schritt 3: Funktion vorhersagen
config = GenerationConfig(track="function", num_steps=20)
protein = model.generate(protein, config)
6. Batch-Verarbeitung mit Forge-API
Verarbeiten Sie mehrere Proteine effizient mit den asynchronen Methoden von Forge.
import os
import asyncio
import esm
from esm.sdk.api import ESMProtein, GenerationConfig
client = esm.sdk.client("esm3-medium-2024-08", token=os.environ["ESM_API_KEY"])
# Asynchrone Batch-Verarbeitung
async def batch_generate(proteins_list):
tasks = [
client.async_generate(protein, GenerationConfig(track="sequence"))
for protein in proteins_list
]
return await asyncio.gather(*tasks)
# Ausführen
proteins = [ESMProtein(sequence=f"MPRT{'_' * 50}KEND") for _ in range(10)]
results = asyncio.run(batch_generate(proteins))
Siehe references/forge-api.md für detaillierte Forge-API-Dokumentation, Authentifizierung, Ratelimits und Batch-Verarbeitungsmuster.
Modellauswahl-Leitfaden
ESM3-Modelle (Generativ):
esm3-open(1,4B) – Offene Gewichte, lokale Nutzung nach Akzeptieren der Hugging-Face-Lizenzesm3-medium-2024-08(7B) – Beste Balance zwischen Qualität und Geschwindigkeit (nur Forge)esm3-large-2024-03(98B) – Höchste Qualität, langsamer (nur Forge)
ESM-C-Modelle (Embeddings):
esmc_300m/esmc-300m-2024-12(30 Schichten) – Leichtgewichtig, schnelle Inferenz (offene Gewichte, lokal)esmc_600m/esmc-600m-2024-12(36 Schichten) – Ausgewogene Leistung (offene Gewichte, lokal)esmc-6b-2024-12(80 Schichten) – Maximale Qualität (Forge API; lokale 6B-Gewichte erfordern Forge oder SageMaker)
Lokale ESMC.from_pretrained()-Beispiele verwenden Unterstrich-Alias („esmc_300m“, „esmc_600m“). Gehostete API-Clients verwenden datierte Modell-IDs wie „esmc-600m-2024-12“.
Auswahlkriterien:
- Lokale Entwicklung/Testen: Verwenden Sie
esm3-openoderesmc_300m - Produktionsqualität: Verwenden Sie
esm3-medium-2024-08über Forge - Maximale Genauigkeit: Verwenden Sie
esm3-large-2024-03oderesmc-6b-2024-12über Forge - Hoher Durchsatz: Verwenden Sie Forge- oder Biohub-APIs mit expliziten asynchronen Parallelitätslimits
- Kostenoptimierung: Verwenden Sie kleinere Modelle, implementieren Sie Caching-Strategien
Installation
Installation von PyPI (esm auf PyPI von EvolutionaryScale). Aktuelle PyPI-Veröffentlichung: 3.2.3 (14. Oktober 2025). Erfordert Python >=3.12,<3.13.
Basisinstallation:
uv pip install "esm==3.2.3"
Mit Flash Attention (empfohlen für schnellere Inferenz auf NVIDIA-GPUs):
uv pip install "esm==3.2.3"
uv pip install flash-attn --no-build-isolation
Der Forge-Client wird mit dem esm-Paket ausgeliefert – keine zusätzliche Installation für ESM3- oder ESMC-Forge-Inferenz erforderlich.
Authentifizierung
Der Forge-API-Zugriff erfordert einen API-Schlüssel. Härten Sie niemals Tokens in Skripten ein oder committen Sie sie in die Versionskontrolle.
- Prüfen Sie, ob
ESM_API_KEYbereits in der Umgebungsvariable gesetzt ist. - Falls nicht, überprüfen Sie eine lokale
.envaufESM_API_KEY(laden Sie keine nicht zusammenhängenden Geheimnisse). - Falls immer noch fehlend, erstellen Sie einen Schlüssel in der Biohub-Entwicklerkonsole für Biohub-APIs oder Forge für den Legacy-Forge-gehosteten ESM3-/ESMC-Zugriff.
import os
token = os.environ["ESM_API_KEY"] # löst KeyError aus, wenn nicht gesetzt
esm.sdk.client() liest ESM_API_KEY automatisch, wenn token weggelassen wird. Halten Sie Endpunkt-URLs auf vertrauenswürdige Hosts wie https://forge.evolutionaryscale.ai oder https://biohub.ai fixiert; übernehmen Sie keine API-Hosts aus nicht vertrauenswürdigen Benutzereingaben.
Biohub-Plattform: EvolutionaryScale und Forge präsentieren derzeit gehostete Modelle über biohub.ai. SDK-Klassennamen verweisen möglicherweise weiterhin auf „Forge“. Siehe references/biohub-platform.md für ESMFold2- und Biohub-spezifische Einrichtung.
Häufige Workflows
Für detaillierte Beispiele und vollständige Workflows siehe references/workflows.md, welches Folgendes enthält:
- Neuartiges GFP-Design mit Chain-of-Thought
- Proteingenerierung und -Screening von Varianten
- Strukturbasierte Sequenzoptimierung
- Funktionsvorhersage-Pipelines
- Embedding-basiertes Clustering und Analyse
Referenzen
Dieser Skill umfasst umfassende Referenzdokumentation:
references/esm3-api.md– ESM3-Modellarchitektur, API-Referenz, Generierungsparameter und multimodales Promptingreferences/esm-c-api.md– Details zu ESM-C-Modellen, Embedding-Strategien und Leistungsoptimierungreferences/forge-api.md– Forge-Plattformdokumentation, Authentifizierung, Batch-Verarbeitung und Bereitstellungreferences/biohub-platform.md– Biohub-API-Migration, ESMFold2-Strukturvorhersage und Entwicklerkonsolen-Authentifizierungreferences/workflows.md– Vollständige Beispiele und gängige Workflow-Muster
Diese Referenzen enthalten detaillierte API-Spezifikationen, Parameterbeschreibungen und erweiterte Nutzungsmuster. Laden Sie sie bei Bedarf für spezifische Aufgaben.
Best Practices
Für Generierungsaufgaben:
- Beginnen Sie mit kleineren Modellen für das Prototyping (
esm3-open) - Verwenden Sie den Temperaturparameter zur Steuerung der Vielfalt (0,0 = deterministisch, 1,0 = vielfältig)
- Implementieren Sie iterative Verfeinerung mit Chain-of-Thought für komplexe Designs
- Validieren Sie generierte Sequenzen mit Strukturvorhersage oder Nasslabor-Experimenten
Für Embedding-Aufgaben:
- Verarbeiten Sie Sequenzen nach Möglichkeit in Batches für Effizienz
- Cachen Sie Embeddings für wiederholte Analysen
- Normalisieren Sie Embeddings beim Berechnen von Ähnlichkeiten
- Verwenden Sie eine geeignete Modellgröße basierend auf den Anforderungen der nachgelagerten Aufgabe
Für Produktionsbereitstellungen:
- Verwenden Sie die Forge-API für Skalierbarkeit und neueste Modelle
- Implementieren Sie Fehlerbehandlung und Wiederholungslogik für API-Aufrufe
- Überwachen Sie die Token-Nutzung und implementieren Sie Ratenbegrenzung
- Erwägen Sie AWS SageMaker-Bereitstellung für dedizierte Infrastruktur
Ressourcen und Dokumentation
- GitHub-Repository: https://github.com/Biohub/esm (aktuelle ESMC/ESMFold2/Biohub-Dokumentation; ESM3-Dokumentation bleibt vom Repository verlinkt)
- Forge-Plattform: https://forge.evolutionaryscale.ai
- Biohub-Plattform: https://biohub.ai
- Wissenschaftliche Publikation: Hayes et al., Science (2025) – https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0018
- Blogbeiträge:
- ESM3-Veröffentlichung: https://www.evolutionaryscale.ai/blog/esm3-release
- ESM-C-Einführung: https://www.evolutionaryscale.ai/blog/esm-cambrian
- Community: Slack-Community unter https://bit.ly/3FKwcWd
- Modellgewichte: Hugging Face EvolutionaryScale- und Biohub-Organisationen
Verantwortungsvolle Nutzung
ESM ist für nützliche Anwendungen im Protein-Engineering, in der Wirkstoffforschung und in der wissenschaftlichen Forschung konzipiert. Befolgen Sie das Responsible Biodesign Framework (https://responsiblebiodesign.ai/) und die Biohub Acceptable Use Policy (https://biohub.org/acceptable-use-policy/) beim Entwerfen neuartiger Proteine. Berücksichtigen Sie vor der experimentellen Validierung biologische Sicherheits- und ethische Implikationen von Proteindesigns.
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Kassis, T., Agarwal, V., He, Y., Patel, D., & Brueckner, A. M. (2026). Scientific Agent Skills: A Library of Procedural Knowledge for Research Agents. arXiv:2609.00065. https://doi.org/10.48550/arXiv.2609.00065
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