torchdrug

TorchDrug

概述

TorchDrug 是一个基于 PyTorch 的综合性机器学习工具箱，专用于药物发现和分子科学。它将图神经网络、预训练模型和任务定义应用于分子、蛋白质和生物知识图谱，支持分子性质预测、蛋白质建模、知识图谱推理、分子生成、逆合成规划等任务，并提供 40 多个精选数据集和 20 多种模型架构。

适用场景

在以下场景中使用此技能：

数据类型：

• SMILES 字符串或分子结构
• 蛋白质序列或 3D 结构（PDB 文件）
• 化学反应和逆合成
• 生物医学知识图谱
• 药物发现数据集

任务：

• 预测分子性质（溶解度、毒性、活性）
• 蛋白质功能或结构预测
• 药物—靶点结合预测
• 生成新的分子结构
• 规划化学合成路线
• 生物医学知识库中的链接预测
• 在科学数据上训练图神经网络

库和集成：

• TorchDrug 是主要使用的库
• 常与 RDKit 配合用于化学信息学
• 兼容 PyTorch 和 PyTorch Lightning
• 可与 AlphaFold 和 ESM 集成，用于蛋白质相关任务

入门

安装

pip install torchdrug
# Or with optional dependencies
pip install torchdrug[full]

快速示例

from torchdrug import datasets, models, tasks
from torch.utils.data import DataLoader

# Load molecular dataset
dataset = datasets.BBBP("~/molecule-datasets/")
train_set, valid_set, test_set = dataset.split()

# Define GNN model
model = models.GIN(
    input_dim=dataset.node_feature_dim,
    hidden_dims=[256, 256, 256],
    edge_input_dim=dataset.edge_feature_dim,
    batch_norm=True,
    readout="mean"
)

# Create property prediction task
task = tasks.PropertyPrediction(
    model,
    task=dataset.tasks,
    criterion="bce",
    metric=["auroc", "auprc"]
)

# Train with PyTorch
optimizer = torch.optim.Adam(task.parameters(), lr=1e-3)
train_loader = DataLoader(train_set, batch_size=32, shuffle=True)

for epoch in range(100):
    for batch in train_loader:
        loss = task(batch)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

核心功能

1. 分子性质预测

根据分子结构预测其化学、物理和生物性质。

使用场景：

• 类药性和 ADMET 性质
• 毒性筛查
• 量子化学性质
• 结合亲和力预测

主要组件：

• 20 多个分子数据集（BBBP、HIV、Tox21、QM9 等）
• GNN 模型（GIN、GAT、SchNet）
• PropertyPrediction 和 MultipleBinaryClassification 任务

**参考：**请参阅 references/molecular_property_prediction.md，了解：

• 完整的数据集目录
• 模型选择指南
• 训练工作流和最佳实践
• 特征工程详情

2. 蛋白质建模

处理蛋白质序列、结构和性质。

使用场景：

• 酶功能预测
• 蛋白质稳定性和溶解度
• 亚细胞定位
• 蛋白质—蛋白质相互作用
• 结构预测

主要组件：

• 15 多个蛋白质数据集（EnzymeCommission、GeneOntology、PDBBind 等）
• 序列模型（ESM、ProteinBERT、ProteinLSTM）
• 结构模型（GearNet、SchNet）
• 适用于不同预测层级的多种任务类型

**参考：**请参阅 references/protein_modeling.md，了解：

• 蛋白质专用数据集
• 序列模型与结构模型
• 预训练策略
• 与 AlphaFold 和 ESM 的集成

3. 知识图谱推理

预测生物知识图谱中缺失的链接和关系。

使用场景：

• 药物再利用
• 疾病机制发现
• 基因—疾病关联
• 多跳生物医学推理

主要组件：

• 通用 KG（FB15k、WN18）和生物医学 KG（Hetionet）
• 嵌入模型（TransE、RotatE、ComplEx）
• KnowledgeGraphCompletion 任务

**参考：**请参阅 references/knowledge_graphs.md，了解：

• 知识图谱数据集（包括包含 4.5 万个生物医学实体的 Hetionet）
• 嵌入模型对比
• 评估指标和协议
• 生物医学应用

4. 分子生成

生成具有目标性质的新分子结构。

使用场景：

• 从头药物设计
• 先导化合物优化
• 化学空间探索
• 性质引导的生成

主要组件：

• 自回归生成
• GCPN（基于策略的生成）
• GraphAutoregressiveFlow
• 性质优化工作流

**参考：**请参阅 references/molecular_generation.md，了解：

• 生成策略（无条件、条件、基于骨架）
• 多目标优化
• 验证和筛选
• 与性质预测的集成

5. 逆合成

预测从目标分子到起始原料的合成路线。

用例：

• 合成规划
• 路线优化
• 合成可及性评估
• 多步规划

关键组件：

• USPTO-50k 反应数据集
• CenterIdentification（反应中心预测）
• SynthonCompletion（反应物预测）
• 端到端逆合成流水线

**参考：**参见 references/retrosynthesis.md，了解：

• 任务分解（中心识别 → 合成子补全）
• 多步合成规划
• 商业可购性检查
• 与其他逆合成工具集成

6. 图神经网络模型

全面收录适用于不同数据类型和任务的 GNN 架构。

可用模型：

• 通用 GNN：GCN、GAT、GIN、RGCN、MPNN
• 感知 3D 结构的模型：SchNet、GearNet
• 蛋白质专用模型：ESM、ProteinBERT、GearNet
• 知识图谱模型：TransE、RotatE、ComplEx、SimplE
• 生成模型：GraphAutoregressiveFlow

**参考：**参见 references/models_architectures.md，了解：

• 详细的模型说明
• 按任务和数据集选择模型的指南
• 架构对比
• 实现技巧

7. 数据集

40 多个精选数据集，涵盖化学、生物学和知识图谱。

类别：

• 分子属性（药物发现、量子化学）
• 蛋白质属性（功能、结构、相互作用）
• 知识图谱（通用和生物医学）
• 逆合成反应

**参考：**参见 references/datasets.md，了解：

• 包含规模和任务信息的完整数据集目录
• 数据集选择指南
• 加载和预处理
• 划分策略（随机、骨架）

常见工作流

工作流 1：分子属性预测

**场景：**预测候选药物的血脑屏障渗透性。

步骤：

1. 加载数据集：datasets.BBBP()
2. 选择模型：用于分子图的 GIN
3. 定义任务：使用二分类的 PropertyPrediction
4. 使用骨架划分进行训练，以进行真实评估
5. 使用 AUROC 和 AUPRC 进行评估

导航：references/molecular_property_prediction.md → 数据集选择 → 模型选择 → 训练

工作流 2：蛋白质功能预测

**场景：**根据序列预测酶功能。

步骤：

1. 加载数据集：datasets.EnzymeCommission()
2. 选择模型：ESM（预训练）或 GearNet（结合结构）
3. 定义任务：使用多分类的 PropertyPrediction
4. 微调预训练模型或从头开始训练
5. 使用准确率和各类别指标进行评估

导航：references/protein_modeling.md → 模型选择（序列或结构）→ 预训练策略

工作流 3：通过知识图谱进行药物再利用

**场景：**在 Hetionet 中寻找新的疾病治疗方法。

步骤：

1. 加载数据集：datasets.Hetionet()
2. 选择模型：RotatE 或 ComplEx
3. 定义任务：KnowledgeGraphCompletion
4. 使用负采样进行训练
5. 查询“化合物-治疗-疾病”预测结果
6. 根据合理性和作用机制进行筛选

导航：references/knowledge_graphs.md → Hetionet 数据集 → 模型选择 → 生物医学应用

工作流 4：从头生成分子

**场景：**生成具有类药性且针对目标结合进行优化的分子。

步骤：

1. 使用活性数据训练属性预测器
2. 选择生成方法：使用 GCPN 进行基于 RL 的优化
3. 定义结合亲和力、类药性和可合成性的奖励函数
4. 在属性约束下生成候选分子
5. 验证化学结构，并按类药性进行筛选
6. 按多目标评分进行排序

导航：references/molecular_generation.md → 条件生成 → 多目标优化

工作流 5：逆合成规划

场景： 为目标分子规划合成路线。

步骤：

1. 加载数据集：datasets.USPTO50k()
2. 训练中心识别模型（RGCN）
3. 训练合成子补全模型（GIN）
4. 组合成端到端逆合成流水线
5. 递归应用，以进行多步规划
6. 检查构建单元的商业可用性

导航： references/retrosynthesis.md → 任务类型 → 多步规划

集成模式

与 RDKit 集成

在 TorchDrug 分子和 RDKit 之间转换：

from torchdrug import data
from rdkit import Chem

# SMILES → TorchDrug molecule
smiles = "CCO"
mol = data.Molecule.from_smiles(smiles)

# TorchDrug → RDKit
rdkit_mol = mol.to_molecule()

# RDKit → TorchDrug
rdkit_mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
mol = data.Molecule.from_molecule(rdkit_mol)

与 AlphaFold/ESM 集成

使用预测结构：

from torchdrug import data

# Load AlphaFold predicted structure
protein = data.Protein.from_pdb("AF-P12345-F1-model_v4.pdb")

# Build graph with spatial edges
graph = protein.residue_graph(
    node_position="ca",
    edge_types=["sequential", "radius"],
    radius_cutoff=10.0
)

与 PyTorch Lightning 集成

为 Lightning 训练封装任务：

import pytorch_lightning as pl

class LightningTask(pl.LightningModule):
    def __init__(self, torchdrug_task):
        super().__init__()
        self.task = torchdrug_task

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        return self.task(batch)

    def validation_step(self, batch, batch_idx):
        pred = self.task.predict(batch)
        target = self.task.target(batch)
        return {"pred": pred, "target": target}

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

技术细节

深入了解 TorchDrug 的架构：

核心概念： 请参阅 references/core_concepts.md，了解：

• 架构理念（模块化、可配置）
• 数据结构（Graph、Molecule、Protein、PackedGraph）
• 模型接口和 forward 函数签名
• 任务接口（predict、target、forward、evaluate）
• 训练工作流和最佳实践
• 损失函数和指标
• 常见问题和调试

快速参考速查表

选择数据集：

• 分子属性 → references/datasets.md → 分子部分
• 蛋白质任务 → references/datasets.md → 蛋白质部分
• 知识图谱 → references/datasets.md → 知识图谱部分

选择模型：

• 分子 → references/models_architectures.md → GNN 部分 → GIN/GAT/SchNet
• 蛋白质（序列）→ references/models_architectures.md → 蛋白质部分 → ESM
• 蛋白质（结构）→ references/models_architectures.md → 蛋白质部分 → GearNet
• 知识图谱 → references/models_architectures.md → KG 部分 → RotatE/ComplEx

常见任务：

• 属性预测 → references/molecular_property_prediction.md 或 references/protein_modeling.md
• 生成 → references/molecular_generation.md
• 逆合成 → references/retrosynthesis.md
• KG 推理 → references/knowledge_graphs.md

了解架构：

• 数据结构 → references/core_concepts.md → 数据结构
• 模型设计 → references/core_concepts.md → 模型接口
• 任务设计 → references/core_concepts.md → 任务接口

常见问题排查

问题：维度不匹配错误 → 检查 model.input_dim 是否与 dataset.node_feature_dim 匹配 → 请参阅 references/core_concepts.md → 重要属性

问题：分子任务表现不佳 → 使用骨架划分，而非随机划分 → 尝试使用 GIN 替代 GCN → 请参阅 references/molecular_property_prediction.md → 最佳实践

问题：蛋白质模型无法学习 → 序列任务使用预训练 ESM → 检查结构模型的边构建方式 → 请参阅 references/protein_modeling.md → 训练工作流

问题：大型图导致内存错误 → 减小批次大小 → 使用梯度累积 → 请参阅 references/core_concepts.md → 内存效率

问题：生成的分子无效 → 添加有效性约束 → 使用 RDKit 验证进行后处理 → 请参阅 references/molecular_generation.md → 验证与筛选

资源

官方文档： https://torchdrug.ai/docs/ GitHub： https://github.com/DeepGraphLearning/torchdrug 论文： TorchDrug：用于药物发现的强大而灵活的机器学习平台

总结

根据任务导航至相应的参考文件：

1. 分子属性预测 → molecular_property_prediction.md
2. 蛋白质建模 → protein_modeling.md
3. 知识图谱 → knowledge_graphs.md
4. 分子生成 → molecular_generation.md
5. 逆合成 → retrosynthesis.md
6. 模型选择 → models_architectures.md
7. 数据集选择 → datasets.md
8. 技术细节 → core_concepts.md

每份参考文档都全面介绍其所属领域，并提供示例、最佳实践和常见用例。