AlphaFold2-Proteinvorhersage

Proteinstrukturen mit Nobelpreis-gekrönter KI vorhersagen — angetrieben durch GPU-Beschleunigung auf Clore.ai

AlphaFold2, entwickelt von DeepMind, revolutionierte die Strukturbiologie, indem es 3D-Proteinstrukturen mit atomarer Genauigkeit vorhersagt. Es wurde auf über 200 Millionen Proteinsequenzen angewendet und erhielt den Nobelpreis für Chemie 2024. Der Betrieb von AlphaFold2 erfordert erheblichen GPU-Speicher und Rechenleistung — Clore.ai bietet erschwinglichen Zugang zu den High-End-GPUs, die dafür benötigt werden.

GitHub: google-deepmind/alphafold — 13 Tsd.+ ⭐

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Voraussetzungen

• Ein Clore.ai-Konto mit ausreichendem Guthaben

• Grundlegende Vertrautheit mit der Linux-Befehlszeile

• Ihre Ziel-Proteinsequenz(en) im FASTA-Format

• ~2,5 TB Festplattenspeicher für die vollständigen genetischen Datenbanken (oder reduzierte Datenbanken zum Testen verwenden)

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Warum AlphaFold2 auf Clore.ai ausführen?

AlphaFold2 profitiert enorm von GPU-Beschleunigung:

Hardware	Vorhersagezeit (typisches Protein ~400 AS)
Nur CPU	6–24+ Stunden
Eine einzelne A100 80GB	15–45 Minuten
Eine einzelne RTX 4090	20–60 Minuten
Eine einzelne RTX 3090	30–90 Minuten

Clore.ai bietet A100-, RTX-4090- und RTX-3090-Knoten zu einem Bruchteil der Kosten von Cloud-Anbietern an und macht so groß angelegte Proteomik-Studien zugänglich.

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Schritt 1 — Wählen Sie Ihre GPU-Miete auf Clore.ai

Empfohlene GPUs für AlphaFold2:

• A100 80GB — Am besten für große Proteine (>700 AS) und Multimer-Vorhersagen

• RTX 4090 24GB — Ideal für Standard-Monomere (<500 AS)

• RTX 3090 24 GB — Kosteneffizient für kleinere Proteine

Für Multimer-Vorhersagen werden 40 GB+ VRAM dringend empfohlen.

1. Melde dich an bei clore.ai und gehen Sie zu Marktplatz

2. Nach GPU-Modell filtern (A100 oder RTX 4090 empfohlen)

3. Stellen Sie sicher, dass der Server mindestens 100 GB Festplattenspeicher hat (oder 2,5 TB für vollständige Datenbanken)

4. Wählen Sie einen Server aus und klicken Sie auf Mieten

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Schritt 2 — Konfigurieren Sie Ihre Bereitstellung

Wenn Sie Ihre Mietbestellung einrichten, verwenden Sie die folgende Konfiguration:

Docker-Image:

nvidia/cuda:11.8.0-cudnn8-runtime-ubuntu20.04

AlphaFold2 erfordert ein benutzerdefiniertes Docker-Setup. Wir werden es aus dem Quellcode innerhalb des Containers installieren. Alternativ verwenden Sie das Community-Image catgumag/alphafold oder merteroglu/alphafold2 das die Umgebung vorab paketiert.

Zu öffnende Ports:

22

Umgebungsvariablen:

NVIDIA_VISIBLE_DEVICES=all
NVIDIA_DRIVER_CAPABILITIES=compute,utility

Mindestanforderungen:

• CPU: 8 Kerne

• RAM: 32 GB (64 GB für große Proteine empfohlen)

• Festplatte: mindestens 100 GB (2,5 TB für vollständige Datenbanken)

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Schritt 3 — Per SSH verbinden

Sobald Ihre Instanz läuft:

ssh root@<server-ip> -p <ssh-port>

Überprüfen Sie, ob die GPU sichtbar ist:

nvidia-smi

Die erwartete Ausgabe sollte Ihre GPU anzeigen (z. B. A100 80GB SXM4).

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Schritt 4 — AlphaFold2 installieren

Option A: Mit dem offiziellen Installationsskript

# Systempakete aktualisieren
apt-get update && apt-get install -y \
    wget \
    git \
    python3-pip \
    python3-dev \
    aria2 \
    hmmer \
    kalign \
    hhsuite

# Miniconda installieren
wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh -O miniconda.sh
bash miniconda.sh -b -p /opt/conda
export PATH="/opt/conda/bin:$PATH"

# AlphaFold2 klonen
git clone https://github.com/google-deepmind/alphafold.git /opt/alphafold
cd /opt/alphafold

# Conda-Umgebung erstellen
conda env create -f environment.yml
conda activate alphafold

Option B: Mit pip (schnellere Einrichtung)

# Systemabhängigkeiten installieren
apt-get update && apt-get install -y \
    wget curl git aria2 hmmer kalign

# hhsuite installieren
conda install -c bioconda hhsuite

# AlphaFold2 klonen und installieren
git clone https://github.com/google-deepmind/alphafold.git /opt/alphafold
cd /opt/alphafold

pip install -r requirements.txt
pip install --upgrade "jax[cuda11_pip]" -f https://storage.googleapis.com/jax-releases/jax_cuda_releases.html

# AlphaFold selbst installieren
python3 setup.py install

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Schritt 5 — Genetische Datenbanken herunterladen

Der vollständige Download der Datenbank erfordert etwa 2,5 TB Speicherplatz und kann 6–24 Stunden dauern. Für erste Tests verwenden Sie die reduzierten Datenbanken (siehe Abschnitt Reduzierte DB unten).

Vollständige Datenbanken (Produktionseinsatz)

cd /opt/alphafold

# Alle Datenbanken mit dem bereitgestellten Skript herunterladen
bash scripts/download_all_data.sh /data/alphafold_databases

Dies lädt herunter:

• BFD (~270 GB) — Große fantastische Datenbank

• UniRef90 (~58 GB) — UniProt-Referenzcluster

• MGnify (~64 GB) — Metagenomik-Sequenzen

• PDB70 (~56 GB) — Repräsentative Strukturen der Protein Data Bank

• PDB seqres (~0,2 GB)

• UniClust30 (~86 GB)

• Small BFD (~17 GB) — Reduzierte Version

Reduzierte Datenbanken (Testentwicklung)

Für Tests auf begrenztem Speicher:

# Nur small_bfd und notwendige Datenbanken herunterladen
bash scripts/download_small_bfd.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_pdb70.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_uniclust30.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_uniref90.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_mgnify.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_pdb_seqres.sh /data/alphafold_databases
bash scripts/download_uniprot.sh /data/alphafold_databases

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Schritt 6 — AlphaFold-Modellgewichte herunterladen

# Verzeichnis für Modellparameter erstellen
mkdir -p /data/alphafold_databases/params

# Modellparameter herunterladen (~3,5 GB)
wget -q -P /data/alphafold_databases/params \
    https://storage.googleapis.com/alphafold/alphafold_params_2022-12-06.tar

# Entpacken
tar -xf /data/alphafold_databases/params/alphafold_params_2022-12-06.tar \
    -C /data/alphafold_databases/params

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Schritt 7 — Bereiten Sie Ihre Eingabesequenz vor

Erstellen Sie eine FASTA-Datei mit Ihrer Ziel-Proteinsequenz:

cat > /tmp/target_protein.fasta << 'EOF'
>my_protein
MKTLLLTLVVVTIVCLDLGAVGNGSGLKCRQTGSCVHFPKDLQALPKDDTASDLNRSLDAEAFKAFQRLAENFNATEYRDIQNFNNKIQHSLEELAKKLDEKLAKLKEKLKQLEN
EOF

Tipps zum FASTA-Format:

• Die Kopfzeile beginnt mit >

• Die Sequenz sollte nur standardmäßige Aminosäurebuchstaben enthalten (ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY)

• Entfernen Sie alle Lücken oder nicht standardmäßigen Zeichen

• Für Multimer-Vorhersagen fügen Sie alle Ketten mit separaten Kopfzeilen ein

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Schritt 8 — AlphaFold2 ausführen

Monomer-Vorhersage (Einzelkette)

cd /opt/alphafold

python3 run_alphafold.py \
    --fasta_paths=/tmp/target_protein.fasta \
    --max_template_date=2022-01-01 \
    --model_preset=monomer \
    --db_preset=full_dbs \
    --data_dir=/data/alphafold_databases \
    --output_dir=/tmp/alphafold_output \
    --uniref90_database_path=/data/alphafold_databases/uniref90/uniref90.fasta \
    --mgnify_database_path=/data/alphafold_databases/mgnify/mgy_clusters_2022_05.fa \
    --template_mmcif_dir=/data/alphafold_databases/pdb_mmcif/mmcif_files \
    --obsolete_pdbs_path=/data/alphafold_databases/pdb_mmcif/obsolete.dat \
    --pdb70_database_path=/data/alphafold_databases/pdb70/pdb70 \
    --bfd_database_path=/data/alphafold_databases/bfd/bfd_metaclust_clu_complete_id30_c90_final_seq.sorted_opt \
    --uniclust30_database_path=/data/alphafold_databases/uniclust30/uniclust30_2018_08/uniclust30_2018_08 \
    --use_gpu_relax=True

Multimer-Vorhersage (Proteinkomplex)

python3 run_alphafold.py \
    --fasta_paths=/tmp/complex.fasta \
    --max_template_date=2022-01-01 \
    --model_preset=multimer \
    --db_preset=full_dbs \
    --data_dir=/data/alphafold_databases \
    --output_dir=/tmp/alphafold_output \
    --uniref90_database_path=/data/alphafold_databases/uniref90/uniref90.fasta \
    --mgnify_database_path=/data/alphafold_databases/mgnify/mgy_clusters_2022_05.fa \
    --template_mmcif_dir=/data/alphafold_databases/pdb_mmcif/mmcif_files \
    --obsolete_pdbs_path=/data/alphafold_databases/pdb_mmcif/obsolete.dat \
    --uniprot_database_path=/data/alphafold_databases/uniprot/uniprot.fasta \
    --pdb_seqres_database_path=/data/alphafold_databases/pdb_seqres/pdb_seqres.txt \
    --use_gpu_relax=True

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Schritt 9 — Ausgabedateien verstehen

AlphaFold2 erzeugt pro Vorhersage mehrere Ausgabedateien:

/tmp/alphafold_output/my_protein/
├── ranked_0.pdb          # Beste vorhergesagte Struktur
├── ranked_1.pdb          # Zweitbeste Vorhersage
├── ranked_2.pdb
├── ranked_3.pdb
├── ranked_4.pdb
├── result_model_1.pkl    # Vollständige Vorhersagedaten (Pickle)
├── result_model_2.pkl
├── ...
├── msas/                 # Multiple Sequenzalignments
│   ├── bfd_uniclust_hits.a3m
│   ├── mgnify_hits.sto
│   └── uniref90_hits.sto
└── timings.json          # Laufzeitaufteilung

Ergebnisse interpretieren:

• ranked_0.pdb ist Ihre beste Struktur — öffnen Sie sie in PyMOL, ChimeraX oder UCSF Chimera

• pLDDT-Score (0–100): Konfidenz pro Rest. >90 = sehr hoch, 70–90 = gut, 50–70 = niedrig, <50 = ungeordnet

• PAE (Predicted Aligned Error) Diagramme zeigen die Konfidenz zwischen Domänen

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Schritt 10 — Ergebnisse visualisieren

PDB-Dateien auf Ihren lokalen Rechner herunterladen

# Von Ihrem lokalen Rechner aus:
scp -P <ssh-port> root@<server-ip>:/tmp/alphafold_output/my_protein/ranked_0.pdb ./

# Oder verwenden Sie rsync für das vollständige Ausgabeverzeichnis:
rsync -avz -e "ssh -p <ssh-port>" \
    root@<server-ip>:/tmp/alphafold_output/ \
    ./alphafold_results/

In PyMOL visualisieren (lokal)

# In PyMOL:
load ranked_0.pdb
spectrum b, blue_white_red, minimum=0, maximum=100
# Nach pLDDT-Score einfärben (im B-Faktor-Feld gespeichert)

Schnelle pLDDT-Analyse

import numpy as np

# B-Faktor (pLDDT) aus der PDB parsen
plddt_scores = []
with open('ranked_0.pdb', 'r') as f:
    for line in f:
        if line.startswith('ATOM'):
            plddt = float(line[60:66].strip())
            plddt_scores.append(plddt)

print(f"Mean pLDDT: {np.mean(plddt_scores):.1f}")
print(f"Residues >90 pLDDT: {sum(s > 90 for s in plddt_scores)}/{len(plddt_scores)}")

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Verwendung von ColabFold (schnellere Alternative)

ColabFold ist eine schnellere AlphaFold2-Implementierung, die MMseqs2 für die MSA-Generierung verwendet:

pip install colabfold[alphafold]

# Vorhersage ausführen (deutlich schnellerer MSA-Schritt)
colabfold_batch /tmp/target_protein.fasta /tmp/colabfold_output \
    --num-recycle 3 \
    --use-gpu-relax

ColabFold ist typischerweise 10–40x schneller als die ursprüngliche AlphaFold2-Pipeline, dank des MMseqs2-MSA-Servers. Ideal für iterative Forschungsabläufe.

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Fehlerbehebung

CUDA Out of Memory

# Modellkomplexität reduzieren oder Unified Memory verwenden
export XLA_PYTHON_CLIENT_ALLOCATOR=platform
export XLA_PYTHON_CLIENT_MEM_FRACTION=0.85

# Oder mit reduziertem Recycling ausführen
--num_multimer_predictions_per_model 1

HHblits / Jackhmmer-Fehler

# Stellen Sie sicher, dass hhsuite korrekt installiert ist
which hhblits
hhblits --version

# Bei Bedarf neu installieren
conda install -c bioconda hhsuite -y

Fehler beim Herunterladen der Datenbank

# Unterbrochene Downloads mit aria2 fortsetzen
aria2c -c -x 16 -s 16 <database-url> -d /data/alphafold_databases/

JAX/CUDA-Kompatibilitätsprobleme

# Prüfen, ob JAX die GPU sehen kann
python3 -c "import jax; print(jax.devices())"

# JAX mit der richtigen CUDA-Version neu installieren
pip install --upgrade "jax[cuda11_pip]" \
    -f https://storage.googleapis.com/jax-releases/jax_cuda_releases.html

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Leistungstipps

Optimieren Sie Ihre AlphaFold2-Läufe:

1. ColabFold verwenden für schnellere MSA-Generierung (10–40x Beschleunigung)

2. Setze --num-recycle 1 für schnelles Screening; 3 für Endvorhersagen verwenden

3. Verwende --db_preset=reduced_dbs für explorative Arbeiten

4. Mehrere Sequenzen bündeln in einer einzigen FASTA-Datei für effiziente Pipeline-Läufe

5. GPU-Relaxation aktivieren (--use_gpu_relax=True) — viel schneller als CPU-Relaxation

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Kostenschätzung auf Clore.ai

Szenario	GPU	Geschätzte Zeit	Geschätzte Kosten
Einzelprotein (~300 AS)	RTX 3090	1–2 Std.	~0,30–0,60 $
Einzelprotein (~500 AS)	RTX 4090	45–90 Min.	~0,40–0,80 $
Multimer-Komplex	A100 80GB	2–4 Std.	~1,50–3,00 $
Proteom-Screening (100 Proteine)	A100 80GB	8–12 Std.	~6–10 $

Die Kosten sind приблизit und hängen von den aktuellen Marktpreisen ab.

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Zusätzliche Ressourcen

• AlphaFold2 GitHub

• AlphaFold-Datenbank — Vorberechnete Strukturen für über 200 Mio. Proteine

• ColabFold GitHub

• DeepMind AlphaFold-Blog

• OpenFold — Trainierbare PyTorch-Neuimplementierung

• ESMFold — Metas schnellere Alternative

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Diese Anleitung behandelt die AlphaFold2-Bereitstellung auf GPU-Mieten bei Clore.ai. Für das neueste AlphaFold3 siehe die separate AlphaFold3-Anleitung.

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GPU-Empfehlungen für Clore.ai

Anwendungsfall	Empfohlene GPU	Geschätzte Kosten bei Clore.ai
Entwicklung/Testen	RTX 3090 (24 GB)	0,07–0,21 $/GPU/Stunde
Standardproteine	RTX 4090 (24 GB)	0,14–0,42 $/GPU/Stunde
Große Moleküle / Multimere	A100 80GB	Bare Metal

💡 Alle Beispiele in diesem Leitfaden können bereitgestellt werden auf Clore.ai GPU-Servern. Durchsuchen Sie verfügbare GPUs und mieten Sie stundenweise — keine Verpflichtungen, voller Root-Zugriff.