作为探索利用 Claude 加速药物发现的一部分,研究团队要求内部模型设计针对蝎子神经毒素的“微型结合蛋白”(minibinders,即能紧密附着于靶点的微小蛋白质)。在初始提示词及随后四次由团队与金融投资研究机构 Citrini Research 共同开发的后续提示词引导下,Claude 完成了设计任务。Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 对 211 种设计方案进行了实验性结合测试,其中 17 种符合标准。目前,所有 211 种设计方案及其数据已作为公共资源发布。

AI 辅助解决被忽视的热带病难题

今年八月,团队曾展示 Claude 仅凭单个提示词设计蛋白质微型结合蛋白的能力。此后,Citrini Research 提出疑问:AI 能否帮助非专家解决人类健康领域的真实问题?团队遂决定请求 Claude 协助设计针对蝎子神经毒素的新型蛋白质结合剂,旨在未来开发蝎毒抗血清。

全球每年有超过 120 万人被蝎子蜇伤,导致超过 3,250 人死亡,受害者多为医疗资源匮乏地区的儿童。由于研发成本高且投资极少,蝎子中毒被视为一种被忽视的热带病。

在为期 64 小时的活动中,运行在 Claude Science 内的内部研究模型主要自主工作。团队通过四次后续提示词进行指导,Claude 在此期间分析数据、生成图表并起草报告。

从 31 万种方案到 17 种有效结合剂

Claude 共生成了 318,484 种蛋白质设计方案,筛选出 180 种进行测试。团队在 Claude 帮助下额外增加了 31 种,总计 211 种方案交由 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 两家合同研究组织(CRO)进行实验室测试。最终,17 种设计方案符合结合剂标准,每种均能结合四种已知对人类危险的蝎子神经毒素之一。

团队强调,尚未确认这些结合剂是否在细胞环境中中和蝎毒,因此不声称已生产出抗血清。外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins 审阅后认为,尽管将结合剂转化为安全、负担得起且广泛可用的药物仍具挑战,但 AI 在几天内设计出可信结合剂并在几周内通过实验室确认,理论上将加速针对中毒及被忽视疾病的发现进程。

针对五种毒素的从头设计策略

蝎子毒液中的神经毒素通过附着神经元细胞膜上的钠离子通道引发神经误放电,严重时可导致心力衰竭和死亡。传统抗血清生产周期长、成本高且供应短缺。从头(De novo)设计则从零开始生成针对特定靶点的蛋白质结合剂,并可优化其类药特性。

本次研究针对来自墨西哥(Cn2)、巴西(Ts1)、北非(AaH I 和 AaH II)及中东(LqhIII)四个地区的五种蝎子毒液神经毒素。Claude 通过搜索蛋白质数据库(PDB)及 AlphaFold 数据库(AFDB)选择毒素结构,并为每种毒素选定五个“热点”氨基酸位置作为设计目标。

为探索通用性,团队要求 Claude 设计四类结合剂:针对单一毒素、针对两种 β-家族毒素、针对三种 α-家族毒素,以及同时针对所有五种毒素的结合剂。这五种毒素虽共享整体蛋白质折叠模式,但氨基酸序列相似度仅为 26% 到 62%。

Claude 的自主工作与实验验证

初始提示词定义了靶点、设计工具及过滤规则。Claude 自主设定质量阈值、分配设计工具权重并制定多毒素设计策略。它使用 12 种设计工具生成方案,过滤掉类似毒素或已知蛋白的结构,共折叠并筛选了 553,052 个设计-毒素对。该活动消耗约 10,000 GPU 小时。

在初始提示词后的 24 小时内,Claude 自主工作并产出初步结果。后续提示词重点指导多毒素结合剂设计。第三次后续提示词后,Claude 选出了包括最强结合剂 Cn2-B1 在内的多数方案,并通过邮件联系 Twist Bioscience 生产蛋白质。最终提交的 211 种方案包括:60 种单一毒素设计、30 种双毒素设计、30 种三毒素设计及 91 种五毒素设计。

实验结果显示,17 种有效结合剂均针对单一毒素,无一多毒素设计方案符合针对多种毒素的标准。在 60 种单一毒素设计方案中,11 种成为结合剂(命中率 18%),这与既往蛋白质设计活动一致。

实验室测试与潜在中和能力

Adaptyv Bio 在无细胞系统中表达设计方案,Twist Bioscience 则在人类肾细胞中将其表达为与 Fc 融合的蛋白。双方均通过表面等离子体共振(SPR)测量结合力,以解离常数(KD)评估亲和力。判定标准要求设计方案在两个实验室中均显示结合证据,KD 值在 1 µM 或更紧密范围内,且对无关人类蛋白 CLEC12A 无信号。

最强的两种结合剂 Cn2-B1 和 Cn2-B2 针对墨西哥蝎子神经毒素 Cn2,KD 值处于个位数纳摩尔范围。竞争实验表明,它们与已知能在小鼠体内中和 Cn2 的抗体 LR 结合在同一或相近表位。虽然未在细胞或活体动物中测试,但这一结果暗示其具有中和 Cn2 的潜力。

迈向疗法的关键下一步

本研究存在两大局限:未进行体外细胞中和测试,也未进行体内动物疗效测试。若推进 Cn2-B1 成为疗法,需先确认其能结合纯化毒素,再通过膜片钳记录评估其阻止毒素作用于钠离子通道的功能,最后在小鼠模型中验证保护效果。

团队已公开所有 211 种设计方案及实验数据,期望借此加速抗血清设计的进一步研究,推动解决被忽视疾病的治疗难题。