Directed Evolution (DE), a landmark wet-lab method originated in 1960s, enables discovery of novel protein designs via evolving a population of candidate sequences. Recent advances in biotechnology has made it possible to collect high-throughput data, allowing the use of machine learning to map out a protein's sequence-to-function relation. There is a growing interest in machine learning-assisted DE for accelerating protein optimization. Yet the theoretical understanding of DE, as well as the use of machine learning in DE, remains limited. In this paper, we connect DE with the bandit learning theory and make a first attempt to study regret minimization in DE. We propose a Thompson Sampling-guided Directed Evolution (TS-DE) framework for sequence optimization, where the sequence-to-function mapping is unknown and querying a single value is subject to costly and noisy measurements. TS-DE updates a posterior of the function based on collected measurements. It uses a posterior-sampled function estimate to guide the crossover recombination and mutation steps in DE. In the case of a linear model, we show that TS-DE enjoys a Bayesian regret of order $\tilde O(d^{2}\sqrt{MT})$, where $d$ is feature dimension, $M$ is population size and $T$ is number of rounds. This regret bound is nearly optimal, confirming that bandit learning can provably accelerate DE. It may have implications for more general sequence optimization and evolutionary algorithms.


翻译:直接进化(DE)是一种始于1960年代的里程碑式湿拉法,它是一种始于1960年代的标志性湿拉法,它使得通过不断演化候选序列群来发现新的蛋白质设计。生物技术的最近进步使得收集高通量数据成为可能,从而可以使用机器学习来绘制蛋白序列与功能的关系图。对于机器学习辅助DE的加速蛋白优化的兴趣日益浓厚。然而,对DE的理论理解以及在DE中使用机器学习的理论仍然有限。在本文中,我们将DE与土匪学习理论联系起来,并首次尝试在DE中研究如何尽量减少遗憾。我们提出了用于序列优化的汤普森抽样指导定向进化(TS-DE)框架,在这个框架中,序列到功能映射的顺序不明,查询单一值受到昂贵和噪音的测量。TS-DE更新了基于所采集测量的函数的外延值的外延值。它使用事后印的函数估算来指导DE的交叉再组合和突变换步骤。在线性模型中,我们显示TS-DE受导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导导的进进进进进进进进的进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进的进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进(T(T(T(T(T)的T)的进(T)的进(T)的进进进(T-导进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进(T)的T)的T)的T)的T)的TA值的T)的T)框架(T)的T值(T)框架的TA值)框架的T-

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