【模型复现】零样本预测文本分类模型——ESM 快速复现模型

本文档提供了Facebook AI Research的ESM(Embedding of Sequence Motifs)模型的快速复现教程,该模型基于Transformer,用于蛋白质序列的无监督学习。通过在大规模蛋白质序列数据上训练,ESM-1v模型展示出在零样本预测任务中的优秀性能,证明了预训练语言模型可以捕捉到生物领域的知识。复现步骤包括环境准备、模型配置及训练数据的准备。

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ESM

快速复现教程

01 镜像详情

镜像简介

这篇论文《Biological structure and function emerge from scaling unsupervised learning to 250 million protein sequences》 .是2019年2月的文章,发布在biorxiv上。代码中包括来自 Facebook AI Research 的 Transformer 蛋白质语言模型的代码和预训练权重,包括我们最先进的 ESM-1b 和 MSA Transformer。并且论文中介绍了 Transformer 蛋白质语言模型。介绍了一个新的蛋白质语言模型ESM-1v,它具有与目前最先进的突变预测模型相媲美的零样本预测的能力,说明了使用大量多样的蛋白序列数据训练的语言模型可以在无需监督式学习的情况下预测蛋白功能的实验测量结果。模型在零样本场景的泛化说明了大型预训练语言模型捕获领域知识的潜力,这可能有助于生成新的功能蛋白。 

应用场景:文本分类、文本匹配、文本生成

论文地址:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/622803v4

02 平台环境准备

 1. 打开极链AI云平台

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### 使用ESM分类模型的相关信息 #### 什么是ESM分类模型ESM(Evolutionary Scale Modeling)是一系列用于蛋白质序列建模的深度学习框架,主要由Meta AI开发。这些模型利用Transformer架构来捕捉蛋白质序列中的复杂模式和关系[^3]。其中,ESM-1b、ESM-2等模型被广泛应用于蛋白质的功能预测、结构预测以及突变效应分析等领域。 #### 如何使用ESM分类模型? ##### 安装依赖 为了使用ESM模型,首先需要安装必要的Python包。可以通过pip命令完成安装: ```bash pip install esm biotite torch ``` ##### 加载预训练模型 以下是加载并运行ESM-2模型的一个简单示例代码: ```python import esm import torch # 加载预训练模型 ESM-2 650M 参数版本 model, alphabet = esm.pretrained.esm2_t33_650M_UR50D() batch_converter = alphabet.get_batch_converter() # 设置设备为GPU或CPU device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model.to(device) # 输入待处理的蛋白质序列 data = [ ("protein1", "MKTVRQERLKSIVRILERSKEPVSGAQLAEELSVSRQVIVQDIAYLRSLGYNIVATPRGYVLAGG"), ] # 将输入转换为批量张量形式 batch_labels, batch_strs, batch_tokens = batch_converter(data) batch_tokens = batch_tokens.to(device) # 运行前向传播获取表示 with torch.no_grad(): results = model(batch_tokens, repr_layers=[33], return_contacts=True) # 提取最后一层的隐藏状态作为蛋白质序列的表示 token_representations = results["representments"][33] print(token_representations.shape) # 输出形状应为 (batch_size, sequence_length, embedding_dim) ``` 上述代码展示了如何加载`esm2_t33_650M_UR50D`模型,并提取给定蛋白质序列的最后一层嵌入表示。此表示可以进一步用于下游任务,如分类或回归。 ##### 应用场景 1. **零样本预测** 基于大规模无监督学习的ESM模型能够在未见过的数据上执行零样本预测。例如,《Biological structure and function emerge from scaling unsupervised learning to 250 million protein sequences》一文中提到,ESM-1v模型具备强大的零样本预测能力,可用于评估氨基酸突变的影响[^4]。 2. **蛋白质功能注释** 利用ESM模型生成的序列表示,可以直接映射到特定的功能类别。这种技术已被证明在多个基准测试中表现优异。 3. **蛋白质结构预测** ESM模型还可以与其他工具(如AlphaFold3)结合,提供高质量的初始特征表示,从而提高整体性能。 #### 实现细节与注意事项 - 数据准备阶段需注意标准化氨基酸序列格式。 - 对于较大的模型实例(如ESM-2 15B),建议使用高性能计算环境以减少内存占用和运算时间。 - 如果目标是微调现有模型,则可通过PyTorch接口轻松实现迁移学习策略。 --- ###
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