2025年8月15日，《Science Advances》期刊發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，題為"Functional and epitope specific monoclonal antibody discovery directly from immune sera using cryo-EM"。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)合冷凍電鏡（cryo-EM）、人工智能工具M(jìn)odelAngelo和生物信息學(xué)的創(chuàng)新方法，能夠直接從免疫血清的多克隆抗體冷凍電鏡圖譜中推斷出重鏈和輕鏈序列，并通過隱馬爾可夫模型（HMM）快速匹配B細(xì)胞庫中的序列。

研究發(fā)現(xiàn)，該方法將抗體發(fā)現(xiàn)的分析時(shí)間從數(shù)周縮短至一天以內(nèi)，顯著提高了抗體產(chǎn)量和結(jié)合親和力。通過非人靈長類動(dòng)物HIV疫苗試驗(yàn)和小鼠流感疫苗試驗(yàn)驗(yàn)證，成功發(fā)現(xiàn)了多種保護(hù)性抗體，其中部分抗體在體內(nèi)保護(hù)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出與已知最佳抗體相當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)效果。

研究設(shè)計(jì)：

? 模型選擇：使用ModelAngelo（MA）v1.0.1作為核心人工智能工具，結(jié)合冷凍電鏡和BCR測序數(shù)據(jù)

? 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：

·HIV-1包膜糖蛋白疫苗接種的非人靈長類動(dòng)物試驗(yàn)

·流感病毒神經(jīng)氨酸酶疫苗接種的小鼠試驗(yàn)

? 分析流程：冷凍電鏡圖譜→MA模型構(gòu)建→HMM文件生成→BCR序列匹配→抗體合成驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套完整的結(jié)構(gòu)到序列（STS）自動(dòng)化工作流程。該方法使用MA的build_no_seq模式從多克隆抗體的冷凍電鏡圖譜中構(gòu)建初始模型，生成隱馬爾可夫模型（HMM）文件，然后使用HMMER搜索功能在BCR測序數(shù)據(jù)庫中匹配最佳序列。對(duì)于碎片化的模型，開發(fā)了輔助代碼將HMM文件合并，確保獲得完整的重鏈和輕鏈序列。

MA集成STS工作流程的建立與基準(zhǔn)測試

研究建立了完整的MA集成STS工作流程，從冷凍電鏡圖譜開始，通過MA構(gòu)建模型并生成HMM文件，最終在BCR測序庫中匹配序列?；鶞?zhǔn)測試結(jié)果顯示，MA衍生的抗體序列產(chǎn)量顯著高于手動(dòng)方法：pAbC-1_MA產(chǎn)量達(dá)240 mg/L，而手動(dòng)方法pAbC-1_HU僅為5.7 mg/L；pAbC-2_MA產(chǎn)量為150 mg/L，手動(dòng)方法pAbC-2_HU為25 mg/L。結(jié)合親和力方面，MA方法與手動(dòng)方法表現(xiàn)相當(dāng)，部分情況下甚至更優(yōu)。

Fig. 1. MA integrated STS workflow and benchmarking.

流感疫苗試驗(yàn)中的抗體發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證

在小鼠流感疫苗試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)成功從神經(jīng)氨酸酶（NA）活性位點(diǎn)結(jié)合的多克隆抗體中發(fā)現(xiàn)了7個(gè)候選單克隆抗體。其中6個(gè)抗體能夠結(jié)合Ind11 NA，5個(gè)具有NA抑制活性。通過基因使用分析，發(fā)現(xiàn)重鏈主要使用IGHV5-16、IGHV5-12等基因，輕鏈主要使用IGKV6-23基因。這些發(fā)現(xiàn)的抗體不僅能抑制重組NA活性，還能有效抑制活病毒中的NA活性。

Fig. 2. Predicted active site pAb gene usages after NA vaccination.

結(jié)構(gòu)表位分析與保護(hù)性驗(yàn)證

通過高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析（2.8-3.4 ?），研究團(tuán)隊(duì)解析了5個(gè)NA抑制性單克隆抗體與NA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)比較顯示，5-16和6-23.2抗體在接觸殘基、埋藏表面積和結(jié)構(gòu)相似性方面最接近原始多克隆抗體。在小鼠保護(hù)實(shí)驗(yàn)中，這些抗體表現(xiàn)出優(yōu)異的保護(hù)效果：6-23.2實(shí)現(xiàn)100%存活率，5-16達(dá)到80%存活率，6-23.1為66.7%存活率，與陽性對(duì)照抗體1G01效果相當(dāng)。

Fig. 4. Structural comparison of epitope:paratope interface of NA pAb and MA-isolated mAbs.

小結(jié)

本研究成功建立了基于冷凍電鏡和人工智能的表位特異性單克隆抗體發(fā)現(xiàn)新方法。通過將ModelAngelo工具集成到STS工作流程中，實(shí)現(xiàn)了從多克隆抗體冷凍電鏡圖譜到功能性單克隆抗體的快速、高效發(fā)現(xiàn)。該方法不僅將分析時(shí)間從數(shù)周縮短至2小時(shí)以內(nèi)，還顯著提高了抗體產(chǎn)量和功能性。在HIV和流感疫苗驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，成功發(fā)現(xiàn)了多種保護(hù)性抗體，證明了該方法在疫苗開發(fā)和治療性抗體發(fā)現(xiàn)中的廣泛應(yīng)用潛力。

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原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv8257

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