SIME - Structure-Informed Macrolide Expansion

SIME 是一个用于大环内酯类化合物结构扩展和抗菌活性预测的工具。

目录

• 原有功能
• MolE 抗菌活性预测
  • 快速开始
  • 安装依赖
  • 使用方法
  • 输出说明
• 项目结构
• 常见问题

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原有功能

SIME 提供大环内酯类化合物的结构设计和合成路径分析功能。

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MolE 抗菌活性预测

本工具集成了 MolE（Molecular Embeddings）模型，可以预测小分子的广谱抗菌活性。

快速开始

使用 uv（推荐）

# 1. 创建虚拟环境（Python 3.12）
uv venv --python 3.12 --seed .venv

# 2. 激活环境
source .venv/bin/activate  # Linux/Mac
# 或
.venv\Scripts\activate  # Windows

# 3. 使用 uv 安装依赖
uv pip install -r requirements-mole.txt

# 4. 验证安装
python verify_setup.py

# 5. 运行预测
python utils/mole_predictor.py Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv

使用 pyproject.toml 配置（uv 推荐）

项目提供了两个环境配置：

1. SIME 原始环境 - 用于大环内酯结构设计

# 使用 uv 创建默认环境
uv sync

2. MolE 预测环境 - 用于抗菌活性预测

# 使用 uv 创建 MolE 环境
uv sync --extra mole

使用 pixi 配置（conda 用户推荐）

如果你使用 conda 或需要更好的包管理，可以使用 pixi：

# 安装 pixi（如果还没有）
curl -fsSL https://pixi.sh/install.sh | bash

# 创建 SIME 原始环境
pixi install

# 创建 MolE 预测环境
pixi install -e mole

# 激活 MolE 环境
pixi shell -e mole

# 在 pixi 环境中运行预测
pixi run -e mole predict Data/fragment/test_100.csv

安装依赖

方法 1: 使用 uv（推荐）

# 创建虚拟环境
uv venv --python 3.12 .venv
source .venv/bin/activate

# 安装依赖
uv pip install -r requirements-mole.txt

方法 2: 使用 pixi

# 创建虚拟环境
pixi init

# 基础环境
pixi add python=3.12

# nvidia cuda工具链
pixi workspace channel add nvidia
pixi add nvidia::cuda-toolkit=12.8

# 科学计算 安装 pandas 会自动安装上 numpy
pixi add 

# torch-geometric
pixi add conda-forge::pandas conda-forge::torch-geometric conda-forge::xgboost conda-forge::pyyaml conda-forge::rdkit conda-forge::pip conda-forge::click conda-forge::openpyxl

# PyTorch相关（指定通道）
# 1. 添加 pytorch 频道  conda 太旧改为使用 pypi
# pixi workspace channel add pytorch
# pixi add pytorch::pytorch=2.6 pytorch::pytorch-cuda=12.4
pixi add --pypi torch==2.8.0 torchvision==0.23.0 torchaudio==2.8.0

# 然后在 pixi.toml 中手动编辑为:
[pypi-dependencies]  
torch = { version = "==2.8.0", index = "https://download.pytorch.org/whl/cu128" }  
torchvision = { version = "==0.23.0", index = "https://download.pytorch.org/whl/cu128" }  
torchaudio = { version = "==2.8.0", index = "https://download.pytorch.org/whl/cu128" }

# 安装依赖
pixi install

# 激活
pixi shell

不同机器使用配置方式：

# 在 Linux GPU 机器上安装和运行  
pixi install --environment gpu  
pixi run --environment gpu <your-task>  
  
# 在 macOS 或 CPU 机器上安装和运行  
pixi install --environment cpu  
pixi run --environment cpu <your-task>  
  
# 或使用默认环境(CPU)  
pixi install  
pixi run <your-task>

RDKit 安装建议

RDKit 推荐使用 conda 安装：

conda install -c conda-forge rdkit

使用方法

1. 命令行使用

基本用法：

# 预测 CSV 文件（仅聚合结果）
python utils/mole_predictor.py input.csv

# 包含 40 种菌株的详细预测数据
python utils/mole_predictor.py input.csv --include-strain-predictions

# 指定输出路径
python utils/mole_predictor.py input.csv output.csv

# 自定义列名
python utils/mole_predictor.py input.csv output.csv \
  --smiles-column SMILES \
  --id-column compound_id

# 使用 GPU 加速
python utils/mole_predictor.py input.csv --device cuda:0

# 调整批次大小和工作进程
python utils/mole_predictor.py input.csv \
  --batch-size 200 \
  --n-workers 8

# 完整示例：包含菌株预测 + GPU 加速
python utils/mole_predictor.py input.csv output.csv \
  --include-strain-predictions \
  --device cuda:0 \
  --batch-size 200

查看所有选项：

python utils/mole_predictor.py --help

预测项目数据：

# 预测 Frags-Enamine-18M.csv
# 创建测试文件（前 1001 行，包含表头）
head -1001 Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv > Data/fragment/test_1000.csv

# 测试命令 - 保守参数
nohup pixi run python utils/mole_predictor.py \
  Data/fragment/test_1000.csv \
  Data/fragment/test_1000_predicted.csv \
  --device cuda:0 \
  --batch-size 100 \
  --n-workers 8 \
  > Data/fragment/mole_test_1000.log 2>&1 &

# 查看日志
tail -f Data/fragment/mole_test_1000.log

# 预测 GDB11-27M.csv
python utils/mole_predictor.py Data/fragment/GDB11-27M.csv

2. Python API 使用

预测单个文件：

from utils.mole_predictor import predict_csv_file

# 基本使用（仅聚合结果）
df_result = predict_csv_file(
    input_path="Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv",
    output_path="results/predictions.csv",
    smiles_column="smiles",
    batch_size=100,
    device="auto"
)

# 包含 40 种菌株的详细预测数据
df_result_with_strains = predict_csv_file(
    input_path="Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv",
    output_path="results/predictions_with_strains.csv",
    smiles_column="smiles",
    batch_size=100,
    device="auto",
    include_strain_predictions=True  # 启用菌株级别预测
)

# 查看结果
print(f"总分子数: {len(df_result)}")
print(f"广谱分子数: {df_result['broad_spectrum'].sum()}")

# 如果包含菌株预测，数据行数会增加（每个分子 40 行）
if 'strain_name' in df_result_with_strains.columns:
    print(f"包含菌株预测的总行数: {len(df_result_with_strains)}")
    print(f"菌株数: {df_result_with_strains['strain_name'].nunique()}")

批量预测多个文件：

from utils.mole_predictor import predict_multiple_files

input_files = [
    "Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv",
    "Data/fragment/GDB11-27M.csv"
]

results = predict_multiple_files(
    input_paths=input_files,
    output_dir="results/",
    smiles_column="smiles",
    batch_size=100,
    device="auto"
)

直接使用预测器：

from models import (
    ParallelBroadSpectrumPredictor,
    PredictionConfig,
    MoleculeInput
)

# 创建配置
config = PredictionConfig(
    batch_size=100,
    device="auto"  # 或 "cpu", "cuda:0"
)

# 创建预测器
predictor = ParallelBroadSpectrumPredictor(config)

# 预测单个分子（仅聚合结果）
molecule = MoleculeInput(smiles="CCO", chem_id="ethanol")
result = predictor.predict_single(molecule)

print(f"化合物ID: {result.chem_id}")
print(f"广谱抗菌: {result.broad_spectrum}")
print(f"抗菌得分: {result.apscore_total:.3f}")
print(f"抑制菌株数: {result.ginhib_total}")

# 批量预测（包含 40 种菌株的详细预测）
smiles_list = ["CCO", "c1ccccc1", "CC(=O)O"]
chem_ids = ["ethanol", "benzene", "acetic_acid"]

results = predictor.predict_batch(
    [MoleculeInput(smiles=s, chem_id=c) for s, c in zip(smiles_list, chem_ids)],
    include_strain_predictions=True  # 启用菌株级别预测
)

for r in results:
    print(f"\n{r.chem_id}:")
    print(f"  广谱抗菌: {r.broad_spectrum}")
    print(f"  抗菌得分: {r.apscore_total:.3f}")
    print(f"  抑制菌株数: {r.ginhib_total}")
    
    # 访问菌株级别预测数据（DataFrame 格式）
    if r.strain_predictions is not None:
        print(f"  菌株预测数据形状: {r.strain_predictions.shape}")
        print(f"  示例菌株预测:")
        print(r.strain_predictions.head(3))
        
        # 强化学习场景：提取特定菌株的预测概率
        strain_probs = r.strain_predictions['antimicrobial_predictive_probability'].values
        print(f"  预测概率向量形状: {strain_probs.shape}")  # (40,)
        
        # 或转换为类型安全的列表
        strain_list = r.to_strain_predictions_list()
        print(f"  第一个菌株: {strain_list[0].strain_name}")
        print(f"  预测概率: {strain_list[0].antimicrobial_predictive_probability:.6f}")

输出说明

1. 聚合结果（默认输出）

预测结果会添加以下 7 个新列：

列名	类型	说明
apscore_total	float	总体抗菌潜力分数（对数尺度，值越大抗菌活性越强）
apscore_gnegative	float	革兰阴性菌抗菌潜力分数
apscore_gpositive	float	革兰阳性菌抗菌潜力分数
ginhib_total	int	被抑制的菌株总数（0-40）
ginhib_gnegative	int	被抑制的革兰阴性菌株数
ginhib_gpositive	int	被抑制的革兰阳性菌株数
broad_spectrum	int	是否为广谱抗菌（1=是，0=否）

输出示例（每个分子一行）：

smiles,chem_id,apscore_total,apscore_gnegative,apscore_gpositive,ginhib_total,ginhib_gnegative,ginhib_gpositive,broad_spectrum
CCO,mol1,-9.93,-10.17,-9.74,0,0,0,0

2. 菌株级别预测（使用 --include-strain-predictions 时）

启用菌株级别预测后，输出会包含以下额外列（每个分子 40 行）：

列名	类型	说明
pred_id	str	预测ID，格式为 chem_id:strain_name
strain_name	str	菌株名称（40 种菌株之一）
antimicrobial_predictive_probability	float	XGBoost 预测的抗菌概率（0-1）
no_growth_probability	float	预测不抑制的概率（1 - antimicrobial_predictive_probability）
growth_inhibition	int	二值化抑制结果（0=不抑制，1=抑制）
gram_stain	str	革兰染色类型（negative 或 positive）

输出示例（每个分子 40 行，对应 40 个菌株）：

smiles,chem_id,apscore_total,...,pred_id,strain_name,antimicrobial_predictive_probability,no_growth_probability,growth_inhibition,gram_stain
CCO,mol1,-9.93,...,mol1:Akkermansia muciniphila (NT5021),Akkermansia muciniphila (NT5021),0.000102,0.999898,0,negative
CCO,mol1,-9.93,...,mol1:Bacteroides caccae (NT5050),Bacteroides caccae (NT5050),0.000155,0.999845,0,negative
...（共 40 行，对应 40 个菌株）

数据使用场景：

1. 强化学习状态表示：

   # 提取预测概率作为状态向量
   state_vector = result.strain_predictions['antimicrobial_predictive_probability'].values
   # 形状: (40,) - 可直接用于 RL 环境
   

2. 筛选特定菌株：

   # 筛选革兰阴性菌
   gram_negative = result.strain_predictions[
       result.strain_predictions['gram_stain'] == 'negative'
   ]
   

3. 可视化分析：

   import matplotlib.pyplot as plt
   df = result.strain_predictions
   df.plot(x='strain_name', y='antimicrobial_predictive_probability', kind='bar')
   

40 种测试菌株列表

预测涵盖以下 40 种人类肠道菌株：

革兰阴性菌（23 种）：

• Akkermansia muciniphila (NT5021)
• Bacteroides 属: caccae, fragilis (ET/NT), ovatus, thetaiotaomicron, uniformis, vulgatus, xylanisolvens (8 种)
• Escherichia coli 各亚型 (4 种)
• Klebsiella pneumoniae (NT5049)
• 其他肠道革兰阴性菌

革兰阳性菌（17 种）：

• Bifidobacterium 属 (3 种)
• Clostridium 属 (5 种)
• Enterococcus 属 (2 种)
• Lactobacillus 属 (3 种)
• Streptococcus 属 (2 种)
• 其他肠道革兰阳性菌

完整菌株列表详见 Data/mole/README.md。

广谱抗菌判断标准

默认情况下，如果一个分子能抑制 10 个或更多菌株 (ginhib_total >= 10)，则被认为是广谱抗菌分子。

输出文件位置

默认情况下，输出文件会添加 _predicted 后缀：

• 输入: Data/fragment/Frags-Enamine-18M.csv
• 输出: Data/fragment/Frags-Enamine-18M_predicted.csv
• 输出（含菌株）: Data/fragment/Frags-Enamine-18M_predicted.csv（每个分子 40 行）

数据量说明

• 仅聚合结果：输出行数 = 输入分子数
• 包含菌株预测：输出行数 = 输入分子数 × 40

抗菌预测模型输出格式字段解释

完整输出字段解释表

基础信息

字段名	数据类型	来源	计算方法	含义说明
SMILES	字符串	输入数据	直接复制	分子的 SMILES 结构表示
chem_id	字符串	输入数据	直接复制或自动生成	化合物的唯一标识符（如 "mol1"）

聚合预测结果（每个分子一组值）

字段名	数据类型	来源	计算方法	含义说明
apscore_total	浮点数	聚合计算	log(gmean(所有40个菌株的预测概率))	总体抗菌潜力分数：所有菌株预测概率的几何平均数的对数。值越高表示抗菌活性越强，负值表示整体抑制概率较低
apscore_gnegative	浮点数	聚合计算	log(gmean(革兰阴性菌株的预测概率))	革兰阴性菌抗菌潜力分数：仅针对革兰阴性菌株（23种）计算的抗菌分数
apscore_gpositive	浮点数	聚合计算	log(gmean(革兰阳性菌株的预测概率))	革兰阳性菌抗菌潜力分数：仅针对革兰阳性菌株（17种）计算的抗菌分数
ginhib_total	整数	聚合计算	sum(所有菌株的二值化预测)	总抑制菌株数：预测被抑制的菌株总数（概率 ≥ 0.04374 的菌株数量），范围 0-40
ginhib_gnegative	整数	聚合计算	sum(革兰阴性菌株的二值化预测)	革兰阴性菌抑制数：预测被抑制的革兰阴性菌株数量，范围 0-23
ginhib_gpositive	整数	聚合计算	sum(革兰阳性菌株的二值化预测)	革兰阳性菌抑制数：预测被抑制的革兰阳性菌株数量，范围 0-17
broad_spectrum	整数 (0/1)	聚合计算	1 if ginhib_total >= 10 else 0	广谱抗菌标志：如果抑制菌株数 ≥ 10，则判定为广谱抗菌药物（1），否则为 0

菌株级别预测结果（每个分子 40 行，每行对应一个菌株）

字段名	数据类型	来源	计算方法	含义说明
pred_id	字符串	组合生成	chem_id + ":" + strain_name	预测组合ID：格式为 "化合物ID:菌株名称"，如 "mol1:Akkermansia muciniphila (NT5021)"
strain_name	字符串	菌株元数据	从 40 个菌株列表中提取	菌株名称：包含菌株学名和 NT 编号，如 "Akkermansia muciniphila (NT5021)"
antimicrobial_predictive_probability	浮点数	XGBoost 预测	model.predict_proba(X)[:, 1]	抗菌预测概率：XGBoost 模型预测该化合物抑制该菌株生长的概率，范围 0-1。这是模型的原始输出概率
no_growth_probability	浮点数	XGBoost 预测	model.predict_proba(X)[:, 0]	不抑制概率：预测该化合物不抑制该菌株生长的概率，等于 1 - antimicrobial_predictive_probability
growth_inhibition	整数 (0/1)	阈值二值化	1 if antimicrobial_predictive_probability >= 0.04374 else 0	生长抑制标签：二值化的抑制结果。1 表示预测抑制，0 表示预测不抑制。阈值 0.04374 是通过验证集优化得到的
gram_stain	字符串	菌株元数据	从 strain_info_SF2.xlsx 中查找	革兰染色类型：该菌株的革兰染色分类，值为 "negative"（革兰阴性）或 "positive"（革兰阳性）

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数据结构说明

输出格式特点

• 前 8 列（SMILES 到 broad_spectrum）：每个分子的聚合结果，这些值在该分子的 40 行中保持不变
• 后 6 列（pred_id 到 gram_stain）：每个分子-菌株对的具体预测，每行对应不同的菌株

示例数据

SMILES,chem_id,apscore_total,apscore_gnegative,apscore_gpositive,ginhib_total,ginhib_gnegative,ginhib_gpositive,broad_spectrum,pred_id,strain_name,antimicrobial_predictive_probability,no_growth_probability,growth_inhibition,gram_stain
CCO,mol1,-9.93,-10.17,-9.74,0,0,0,0,mol1:Akkermansia muciniphila (NT5021),Akkermansia muciniphila (NT5021),0.000102,0.999898,0,negative
CCO,mol1,-9.93,-10.17,-9.74,0,0,0,0,mol1:Bacteroides caccae (NT5050),Bacteroides caccae (NT5050),0.000155,0.999845,0,negative
...（共 40 行，前 8 列相同，后 6 列不同）

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关键说明

项目	说明
数据量	每个输入分子会生成 40 行输出（对应 40 个菌株），因此总行数 = 输入分子数 × 40
阈值优化	默认阈值 0.04374 是通过最大化验证集 F1 分数得到的最优值
革兰染色分布	40 个菌株中，23 个为革兰阴性菌，17 个为革兰阳性菌
概率解释	antimicrobial_predictive_probability 越接近 1，表示模型越确信该化合物会抑制该菌株
应用场景	这种格式特别适合强化学习场景，可以直接提取 40 维的预测概率向量作为状态表示

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项目结构

SIME/
├── models/                          # MolE 预测模型
│   ├── __init__.py
│   ├── broad_spectrum_predictor.py  # 核心预测器
│   ├── dataset_representation.py    # 数据集表示
│   ├── ginet_concat.py             # GIN 神经网络
│   └── mole_representation.py      # MolE 表示生成
│
├── utils/
│   ├── mole_predictor.py           # 预测工具脚本
│   └── ... (其他工具)
│
├── Data/
│   └── fragment/                    # 待预测数据
│       ├── Frags-Enamine-18M.csv
│       └── GDB11-27M.csv
│
├── pyproject.toml                   # uv 项目配置
├── requirements.txt                 # SIME 原始依赖
├── requirements-mole.txt           # MolE 预测依赖
│
├── verify_setup.py                 # 设置验证工具
├── check_mole_dependencies.py      # 依赖检查工具
└── test_mole_predictor.py          # 功能测试

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依赖说明

SIME 原始依赖 (requirements.txt)

用于大环内酯结构设计功能。

MolE 预测依赖 (requirements-mole.txt)

用于抗菌活性预测，主要包括：

• 深度学习: torch, torch-geometric
• 科学计算: numpy, pandas, scipy
• 机器学习: scikit-learn, xgboost
• 化学信息: rdkit
• 其他: openpyxl, pyyaml, click

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验证和测试

验证安装

# 检查 Python 依赖
python verify_setup.py

# 检查模型文件
python check_mole_dependencies.py

运行测试

# 功能测试（使用小规模测试数据）
python test_mole_predictor.py

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常见问题

Q1: 如何处理大文件？

方案 1： 增加批次大小和工作进程数

python utils/mole_predictor.py large_file.csv \
  --batch-size 500 \
  --n-workers 8

方案 2： 先提取部分数据测试

# 提取前 1000 行
head -1001 large_file.csv > test_1000.csv
python utils/mole_predictor.py test_1000.csv

Q2: 如何只使用 CPU？

python utils/mole_predictor.py input.csv --device cpu

Q3: 列名大小写问题？

工具会自动进行大小写不敏感的列名匹配，所以 SMILES、smiles、Smiles 都可以识别。

Q4: ModuleNotFoundError 错误？

确保已安装依赖：

uv pip install -r requirements-mole.txt

对于 RDKit，推荐使用 conda：

conda install -c conda-forge rdkit

Q5: 如何自定义模型路径？

from models import PredictionConfig, ParallelBroadSpectrumPredictor

config = PredictionConfig(
    xgboost_model_path="/path/to/model.pkl",
    mole_model_path="/path/to/mole_model",
    strain_categories_path="/path/to/strain_data.tsv.gz",
    gram_info_path="/path/to/gram_info.xlsx",
    app_threshold=0.044,
    min_nkill=10,
    batch_size=100,
    device="auto"
)

predictor = ParallelBroadSpectrumPredictor(config)

Q6: GPU 内存不足？

减小批次大小：

python utils/mole_predictor.py input.csv --batch-size 50

Q7: 模型文件在哪里？

模型文件位于相邻的 mole_broad_spectrum_parallel 项目中：

../mole_broad_spectrum_parallel/
├── pretrained_model/model_ginconcat_btwin_100k_d8000_l0.0001/
│   ├── config.yaml
│   └── model.pth
├── data/03.model_evaluation/MolE-XGBoost-08.03.2024_14.20.pkl
└── ...

运行 python check_mole_dependencies.py 检查文件是否存在。

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性能建议

• 使用 GPU: 设置 --device cuda:0 可大幅加速（需要 CUDA）
• 调整批次: 较大的批次（100-500）通常更快
• 多进程: 使用 --n-workers 指定工作进程数
• 首次加载: 首次运行需要加载模型（~30秒），后续会更快

性能参考

分子数量	CPU (8核)	GPU (CUDA)
100	~30秒	~10秒
1,000	~5分钟	~1分钟
10,000	~50分钟	~8分钟

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系统要求

• Python: 3.7 或更高版本（推荐 3.12）
• 内存: 最低 8 GB RAM
• 存储: 至少 2 GB 可用空间
• GPU: 可选，但强烈推荐（需要 CUDA 支持）

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技术支持

如有问题：

1. 查看验证结果: python verify_setup.py
2. 检查模型文件: python check_mole_dependencies.py
3. 运行功能测试: python test_mole_predictor.py

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许可

详见 LICENSE 文件。

引用

如果使用本工具，请引用相关论文。

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更新日期: 2025-10-16
版本: 1.0.0