▎藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯

2024年，萬眾矚目的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了一組有些特殊的科學(xué)家。人工設(shè)計(jì)蛋白領(lǐng)域先驅(qū)，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的David Baker教授因計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)的奠基性貢獻(xiàn)，與被稱作“AlphaFold之父”的兩位谷歌DeepMind科學(xué)家共同摘得殊榮。

Baker教授的獲獎(jiǎng)成果要追溯到20多年前，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了根據(jù)氨基酸序列解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的程序Rosetta，并且第一次設(shè)計(jì)出了原本不存在于自然界中的蛋白質(zhì)。最近幾年，在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的加持下，Baker團(tuán)隊(duì)不僅開發(fā)出了預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)水平與AlphaFold2相當(dāng)?shù)腞oseTTAFold系統(tǒng)，更是在學(xué)術(shù)頂刊上如井噴般發(fā)表了多項(xiàng)顛覆蛋白設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法。

▲David Baker博士（圖片來源：藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)制作）

2022年，Baker團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款深度學(xué)習(xí)工具 ，能夠從頭設(shè)計(jì)出全新功能性蛋白分子，將設(shè)計(jì)蛋白的時(shí)間從“月”縮短至“秒”。2023年，他們開發(fā)的AI軟件 突破了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的諸多限制，可根據(jù)需要“定制化”設(shè)計(jì)出以往無能為力的蛋白質(zhì)。同一年，團(tuán)隊(duì)還提出了一項(xiàng) ——利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)，“自上而下”（top-down）設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)……

借助這些工具與方法創(chuàng)新，Baker教授與合作者們正在帶來一場(chǎng)藥物與療法開發(fā)的革命。例如，Baker團(tuán)隊(duì)利用AI平臺(tái)系統(tǒng)性地 ，揭示了發(fā)現(xiàn)具有更強(qiáng)療效和選擇性的大環(huán)分子藥物的新方向；在新分子領(lǐng)域，他與另一位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Carolyn Bertozzi教授合作開發(fā)了內(nèi)吞觸發(fā)結(jié)合蛋白（EndoTag），EndoTag與LYTAC分子偶聯(lián)進(jìn)一步生成名為 的全新蛋白降解藥物；就在最近，Baker教授合作開發(fā)了一種可定制化受體，可以 ，減少靶向非腫瘤毒性。

本周，Baker教授與丹麥技術(shù)大學(xué)的Timothy Jenkins團(tuán)隊(duì)合作，利用AI工具在一個(gè)全新的領(lǐng)域帶來了有望挽救生命的突破。在一篇發(fā)表于《自然》的論文中，研究團(tuán)隊(duì)從頭設(shè)計(jì)了可以中和致命蛇毒的新型蛋白，有望為傳統(tǒng)的抗蛇毒血清提供更加安全、有效的替代品。

我們對(duì)毒蛇的了解往往來源于自然紀(jì)錄片，但在現(xiàn)實(shí)世界的眾多地區(qū)，毒蛇更是真實(shí)存在的致命威脅。每年全球有超過200萬人遭受毒蛇咬傷，其中約10萬人死于致命毒液，約30萬人永久性殘疾。

被毒蛇咬傷后，抗蛇毒血清成為拯救患者生命的最后手段。為了生產(chǎn)抗蛇毒血清，人們需要給動(dòng)物注射毒液，然后從血漿中提取、純化它們產(chǎn)生的抗體。不過，抗蛇毒血清在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一系列挑戰(zhàn)，例如：高昂的生產(chǎn)成本和對(duì)冷鏈運(yùn)輸?shù)囊笙拗屏似淇杉靶?，它們?duì)一些蛇毒的療效有限，并且可能導(dǎo)致過敏反應(yīng)、致熱反應(yīng)等副作用。

在蛇毒復(fù)雜的成分中，三指毒素（Three-finger toxins, 3FTx）是一種存在于眼鏡蛇等致命毒蛇體內(nèi)的非酶類毒液蛋白，可以造成嚴(yán)重的組織損傷、抑制煙堿乙酰膽堿受體（nAChR），最終導(dǎo)致危及生命的神經(jīng)毒性。由于三指毒素在生產(chǎn)抗蛇毒血清的動(dòng)物中免疫原性有限，無法引起強(qiáng)烈的抗體反應(yīng)，因此對(duì)于該成分的治療效果并不理想。

▲三指毒素靶點(diǎn)示意圖（圖片來源：參考資料[1]）

在研究團(tuán)隊(duì)看來，相比于傳統(tǒng)的抗蛇毒血清開發(fā)，在AI的幫助下從頭合成的方法更具優(yōu)勢(shì)。例如，從頭蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)無需依賴于動(dòng)物免疫接種，目標(biāo)蛋白可以使用重組DNA技術(shù)制造；計(jì)算設(shè)計(jì)無需進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)篩選，就能創(chuàng)造出具有高親和力和特異性的結(jié)合蛋白……

要將理論上的優(yōu)勢(shì)付諸實(shí)踐，研究團(tuán)隊(duì)使用的主要工具，就是本文開頭提到的RFdiffusion。該程序可以將蛋白質(zhì)的開發(fā)工作從動(dòng)物體內(nèi)轉(zhuǎn)移至計(jì)算機(jī)中，設(shè)計(jì)出符合特定規(guī)格的新型蛋白質(zhì)。不同于體積更大的傳統(tǒng)抗體，研究團(tuán)隊(duì)基于RFdiffusion設(shè)計(jì)的是微小尺寸的蛋白結(jié)合劑（binder），其不僅生產(chǎn)更簡(jiǎn)單快速、制造成本更低（可以利用細(xì)菌或酵母大規(guī)模生產(chǎn)），而且組織滲透性更強(qiáng)，能夠更有效地中和局部組織損傷。

此外，該研究的設(shè)計(jì)、篩選等工作，還借助了同樣由Baker團(tuán)隊(duì)研發(fā)的ProteinMPNN，以及大名鼎鼎的AlphaFold 2和RoseTTAFold系統(tǒng)，可謂是“全明星陣容”。

▲研究團(tuán)隊(duì)在AI的協(xié)助下，設(shè)計(jì)出對(duì)抗致命毒液的新型蛋白（圖片來源：華盛頓大學(xué)）

利用這些工具，研究團(tuán)隊(duì)分別設(shè)計(jì)了針對(duì)三指毒素家族中的長(zhǎng)鏈α-神經(jīng)毒素、短鏈α-神經(jīng)毒素和細(xì)胞毒素的蛋白結(jié)合劑。

其中，α-神經(jīng)毒素是很多眼鏡蛇毒液致命作用的來源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)治療效果、阻止毒液引起的死亡至關(guān)重要。值得一提的是，長(zhǎng)鏈與短鏈α-神經(jīng)毒素在煙堿乙酰膽堿受體（nAChR）中具有不同的藥理學(xué)特征：兩者均能抑制肌肉型nAChR受體，但只有長(zhǎng)鏈α-神經(jīng)毒素可以與神經(jīng)元α7-nAChR受體強(qiáng)有力地結(jié)合。

此外，另一類毒素成分細(xì)胞毒素通過破壞磷脂膜的穩(wěn)定性，發(fā)揮細(xì)胞毒性作用并誘導(dǎo)局部組織損傷。中和細(xì)胞毒素對(duì)于避免嚴(yán)重的后遺癥，包括毒蛇咬傷后的肢體畸形、截肢和永久性殘疾都至關(guān)重要。

完成特異性蛋白結(jié)合劑的設(shè)計(jì)與篩選后，研究團(tuán)隊(duì)先后通過細(xì)胞與小鼠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這些新型蛋白的抗蛇毒效果。在體外細(xì)胞研究中，蛋白結(jié)合劑對(duì)α-神經(jīng)毒素展現(xiàn)出了優(yōu)于納米抗體的中和效果；在接下來的小鼠實(shí)驗(yàn)中，這些蛋白結(jié)合劑為小鼠提供了對(duì)致命劑量三指毒素的全面保護(hù)。無論是事先與毒素混合注射，還是模擬實(shí)際咬傷的延遲注射，取決于劑量、毒素和蛋白設(shè)計(jì)等因素，實(shí)驗(yàn)中小鼠的存活率在80%~100%之間。

▲該研究設(shè)計(jì)的蛋白結(jié)合劑晶體結(jié)構(gòu)（圖片來源：參考資料[1]）

基于這些結(jié)果，論文指出，這種強(qiáng)效、穩(wěn)定且易于制造的毒素中和蛋白有望為更安全、更具成本效益且廣泛使用的下一代抗蛇毒療法奠定基礎(chǔ)。當(dāng)然研究團(tuán)隊(duì)也指出，由于蛇毒混合成分復(fù)雜，中和毒液的一種成分或許不足以防止致殘性傷害或挽救生命，因此團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是制造出多種蛋白結(jié)合劑來阻止最危險(xiǎn)的毒蛇。此外，在可預(yù)見的未來，傳統(tǒng)抗蛇毒血清仍將是治療蛇咬傷的基礎(chǔ)，而來自這項(xiàng)研究的全新抗蛇毒蛋白最初或許可以用作補(bǔ)充劑或強(qiáng)化劑，以改善現(xiàn)有治療的有效性。

參考資料：

[1] Vázquez Torres, S., Benard Valle, M., Mackessy, S.P. et al. De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08393-x

[2] AI-designed proteins neutralize snake toxins. Retrieved on Jan 15th, from https://www.eurekalert.org/news-releases/1070246

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