Как Claude разработал белки-связыватели против нейротоксинов скорпионов20.10.2026 03:00

Краткое содержание: В рамках нашей работы по изучению того, как Claude может ускорить открытие лекарств, мы попросили внутреннюю исследовательскую модель разработать мини-биндеры (небольшие белки, которые прочно связываются с мишенью) против нейротоксинов скорпионов. Claude выполнил наш запрос и четыре последующих задания, разработанных совместно с компанией Citrini Research, занимающейся инвестиционными исследованиями. Команды Adaptyv Bio и Twist Bioscience экспериментально проверили способность 211 разработанных молекул связываться с мишенями. 17 из них соответствовали нашим критериям. Мы публикуем все 211 разработок и данные о них, чтобы ими могли воспользоваться другие специалисты.

В августе мы показали, как Claude разработал мини-биндеры на основе белков, получив всего один запрос. За месяц до публикации этих результатов к нам обратилась команда Citrini Research с интересным вопросом: может ли Claude (и ИИ для открытия лекарств в целом) помочь группе мотивированных неспециалистов взяться за реальную проблему в области здоровья человека? Участники нашей исследовательской группы по наукам о жизни решили найти ответ и для начала обсудили с Claude возможные задачи. В итоге мы попросили Claude помочь разработать новые белки-связыватели против нейротоксинов скорпионов — в надежде, что однажды их можно будет использовать для создания противоядия от скорпионьего яда.

Скорпионы ежегодно жалят не менее 1,2 миллиона человек, и более 3 250 из них погибают. Большинство жертв — дети из регионов мира с ограниченным доступом к медицинской помощи. Разработка новых методов лечения обходится дорого, а вернуть затраты на их создание, скорее всего, не удастся. Из-за столь низких инвестиций отравление скорпионьим ядом считается забытой тропической болезнью.

Мы начали с того, что дали Claude тот же запрос, что использовали в предыдущем исследовании белков-связывателей, предварительно доработав его вместе с Citrini.1 В течение следующих 64 часов внутренняя исследовательская модель, работавшая в Claude Science, действовала преимущественно автономно, хотя мы направляли её работу с помощью четырёх последующих запросов. Под нашим руководством Claude анализировал исследовательские данные, создавал иллюстрации и готовил итоговый отчёт.

В ходе кампании по разработке Claude создал 17 белков-связывателей, каждый из которых связывался с одним из четырёх нейротоксинов скорпионов, известных своей опасностью для человека. В процессе Claude сгенерировал 318 484 варианта белков и отобрал 180 для проверки. С помощью Claude наша команда добавила ещё 31 вариант. Наши партнёры из Adaptyv Bio и Twist Bioscience, двух контрактных исследовательских организаций (CRO), проверили в лаборатории все 211 вариантов, чтобы выяснить, связываются ли они с токсинами, для которых были разработаны. 17 вариантов соответствовали нашим критериям белка-связывателя. Мы не подтвердили, что эти белки нейтрализуют яд скорпиона в клеточной среде, поэтому не утверждаем, что создали противоядие.

Мы показали работу Claude двум внешним экспертам — Сусане Васкес Торрес и Тимоти П. Дженкинсу. По их словам, это многообещающий первый шаг. Если ИИ уже способен за несколько дней разрабатывать перспективные белки-связыватели против нескольких токсинов, с которыми трудно работать, а лабораторное подтверждение возможно получить за несколько недель, это теоретически может ускорить поиск средств от отравлений и других забытых болезней. Как всегда, задача заключается в том, чтобы превратить эти белки-связыватели в безопасные, доступные по цене и широко распространённые лекарства.

Подробнее мы рассказываем в нашем техническом отчёте, а все 211 разработок и данные о них публикуем в открытом доступе.

Разработка белка-связывателя почти к любой мишени больше не кажется нереалистичной. Теперь мы можем получать белки, которые связываются с мишенью очень прочно, причём удивительно быстро, и само связывание уже не является главным препятствием. Для ядовитых животных, таких как змеи и скорпионы, укусы и ужаления которых приводят к гибели или тяжёлым травмам множества людей, особенно в регионах с ограниченным доступом к медицинской помощи, реальный эффект будет достигнут за счёт решения задач на этапах разработки препаратов, следующих за связыванием. Необходимо использовать эти удивительные инструменты для создания молекул, которые станут настоящими лекарствами — безопасными, доступными по цене и широко распространёнными.

Сусана Васкес Торрес, постдокторант, программа структурной биологии, Испанский национальный центр исследования рака (CNIO), Мадрид, Испания.

Разработка de novo белков-связывателей против пяти токсинов четырёх видов скорпионов

Яд скорпионов содержит множество белковых нейротоксинов. Наиболее опасные для человека нейротоксины связываются с натриевыми каналами — крупными белками, встроенными в мембраны нервных клеток и обеспечивающими их возбуждение. При нарушении работы натриевых каналов нервы возбуждаются не вовремя, что приводит к выбросу большого количества стрессовых веществ, например адреналина. В тяжёлых случаях это может вызвать сердечную недостаточность и скопление избыточной жидкости в лёгких, а иногда и смерть.

Некоторые противоядия от укусов скорпионов уже существуют. Обычно их производят с помощью антител иммунизированных животных, на что могут уйти месяцы. Яд собирают у тысяч скорпионов и используют для иммунизации лошадей, после чего учёные выделяют из крови животных образовавшиеся антитела. Традиционные противоядия могут помочь, если ввести их на ранней стадии, но обычно они эффективны лишь против небольшого числа нейротоксинов. Их производство также обходится дорого, и во многих регионах они либо стоят слишком дорого, либо находятся в дефиците.

Разработка de novo может стать возможным решением. Белок-связыватель — это молекула, которая прочно связывается с определённой мишенью; антитела — один из природных примеров таких молекул. Теоретически белок-связыватель, нацеленный на участок нейротоксина, который прикрепляется к натриевым каналам, может помешать токсину достичь канала. При разработке de novo белки-связыватели создаются с нуля под конкретную мишень. Их разрабатывают с помощью вычислительных методов и могут оптимизировать для получения свойств, характерных для лекарств, — например, высокой активности и стабильности. Благодаря этому их будет проще поставлять в регионы, где чаще всего происходят ужаления.

Наш подход вдохновлён предыдущей работой, в ходе которой были разработаны белки de novo, нейтрализовавшие нейротоксины змей и защитившие мышей. Насколько нам известно, белки-связыватели de novo, созданные против нейротоксинов скорпионов, ранее не описывались.

Для этой кампании мы выбрали пять нейротоксинов из яда скорпионов, встречающихся в четырёх регионах: Мексике (Cn2), Бразилии (Ts1), Северной Африке (AaH I и AaH II) и на Ближнем Востоке (LqhIII). Мы также решили направить разработки на участок каждого токсина, связывающийся с каналом. Claude выбрал структуры токсинов для разработки, выполнив поиск в Банке данных белков (PDB) и базе данных AlphaFold (AFDB). Для каждого токсина он определил пять горячих точек — конкретных положений аминокислот, с которыми должны были связываться разработанные белки.

Прежде всего нас интересовало, сможет ли Claude разработать белки-связыватели против отдельных токсинов. Но нам было также любопытно, сможет ли он создать белки, нацеленные сразу на несколько токсинов. Разработка белков, связывающих сразу несколько токсинов, имеет практический смысл: она позволит сократить число молекул, необходимых для универсальной смеси противоядий, — наиболее экономичного и не привязанного к конкретному региону средства. Мы выбрали эти пять токсинов скорпионов (Cn2, Ts1, AaH I, AaH II и LqhIII) в качестве сложного испытания для разработки белков против нескольких токсинов: их белки имеют одинаковую общую форму, но совпадение аминокислотных последовательностей любых двух токсинов составляет всего от 26% до 62%.

Чтобы выяснить, насколько далеко сможет продвинуться Claude, мы попросили его разработать четыре типа белков-связывателей: против каждого из пяти токсинов по отдельности; против токсинов β-семейства Ts1 и Cn2; против токсинов α-семейства AaH II, AaH I и LqhIII; и одновременно против всех пяти токсинов.

Разработка перспективных белков-связывателей против пяти токсинов одновременно всего за несколько дней — яркая иллюстрация смены парадигмы в поиске лекарств под влиянием ИИ. Особенно это важно для забытых болезней, таких как отравления ядами животных: из-за низкой коммерческой привлекательности эта область в значительной степени лишена инноваций. Возможность автономно работать с исключительно широким спектром мишеней среди животных токсинов значительно ускоряет исследования и приближает реальные решения для лечения.

Тимоти П. Дженкинс, доцент, Технический университет Дании.

Claude провёл кампанию по разработке с высокой степенью автономности

В исходном запросе мы указали мишени-нейротоксины, инструменты для разработки и сворачивания белков, а также правила, касающиеся новизны, оценки и фильтрации. Помимо выбора структур и аминокислотных горячих точек, Claude определил пороговые значения качества, которым должны были соответствовать разработки, решил, насколько активно использовать каждый из доступных инструментов, и разработал стратегии создания белков-связывателей против нескольких токсинов.

В итоге Claude использовал 12 инструментов разработки, чтобы создать 318 484 варианта, отфильтровав те, что напоминали токсин или известный белок. Claude совместно свернул и проверил 553 052 пары «разработка — токсин», предсказав для каждой пары структуру единого комплекса. Через 64 часа после того, как мы отправили исходный запрос, Claude предоставил итоговый список из 180 вариантов. На кампанию ушло порядка 10 000 часов работы графических процессоров. 2

После первого запроса Claude работал автономно в течение 24 часов. Полученные результаты побудили нас попросить его продолжить кампанию и поискать более удачные варианты. В последующих запросах мы в основном направляли Claude на разработку белка-связывателя против нескольких токсинов. Большинство из 180 вариантов, включая наш самый сильный белок-связыватель (Cn2-B1), Claude отобрал лишь после третьего дополнительного запроса. По нашей просьбе Claude отправил аминокислотные последовательности белков в Twist Bioscience (в электронных письмах были признаки того, что их написал Claude). Компания произвела белки, чтобы проверить, насколько хорошо они связываются с токсинами. Позже мы вместе с Claude добавили ещё 31 вариант, доведя общее число разработок до 211: 60 против одного токсина (по 12 на каждый токсин), 30 против двух токсинов β-семейства, 30 против трёх токсинов α-семейства и 91 против всех пяти токсинов.

Из 211 проверенных нашей командой вариантов 17 соответствовали критериям белка-связывателя, причём каждый — против одного токсина. Ни один из вариантов, созданных против нескольких токсинов, не соответствовал нашим критериям сразу для более чем одного токсина. (Помимо ограничений нынешних возможностей Claude, у этого затруднения может быть много причин: особенности наших запросов, ограничения доступных инструментов разработки и даже биологическая осуществимость создания белков против нескольких токсинов.) Семь вариантов связывались с Cn2, четыре — с AaH II, четыре — с AaH I и два — с LqhIII. Среди 60 вариантов, рассчитанных на один токсин, белками-связывателями оказались 11 (18%). Такой показатель соответствует типичным кампаниям по разработке белков, в том числе нашим предыдущим работам.

Лабораторная проверка разработок Claude

Завершив кампанию, мы отправили разработки в Adaptyv Bio и Twist Bioscience для проверки связывания. Обе команды произвели их в своих лабораториях, но в разных форматах. Adaptyv Bio использовала бесклеточную систему, в которой задействован механизм производства белков, извлечённый из бактерий, а не живые клетки. Twist Bioscience производила белки в клетках млекопитающих (в данном случае — в клетках почки человека), в виде слитых белков с Fc — стержневой частью антитела. Это взаимодополняющие способы измерить сам процесс связывания, и мы объединили их, чтобы повысить достоверность результатов.

Обе лаборатории измеряли связывание методом поверхностного плазмонного резонанса (SPR): токсин пропускают над разработанным белком, а прибор SPR в реальном времени отслеживает, с какой скоростью токсин связывается с ним и отделяется от него. Полученная кривая, называемая сенсограммой, позволяет определить так называемую константу диссоциации (KD) — показатель прочности связывания (или аффинности). Чем ниже KD, тем прочнее связывание.

Для оценки полученных разработок мы установили строгие критерии, которым должен соответствовать белок, чтобы считаться связывателем против определённого токсина. Он должен был показать положительный результат в обеих лабораториях3 — то есть продемонстрировать связывание с этим токсином во всех повторах, причём каждое значение KD должно было составлять не более 1 мкМ. Кроме того, мы требовали, чтобы разработка не давала сигнала при проверке на CLEC12A — не связанном с задачей белке человека, который использовался для оценки связывания с посторонними мишенями, или «липкости».

Белки-связыватели Claude против Cn2, вероятно, связываются с тем же участком, что и нейтрализующее токсин антитело

Антитела и нанотела остаются эталоном, которому должны соответствовать разработки de novo. Для трёх таких молекул сообщается об аффинности (KD) менее 1 нМ (наномоля) к Cn2 или AaH II; также было показано, что они защищают мышей от токсинов скорпионов.

Два наших наиболее сильных белка-связывателя, получившие названия Cn2-B1 и Cn2-B2, нацелены на Cn2 — нейротоксин мексиканского скорпиона Centruroides noxius. Оба белка прочно связывались с Cn2 в лабораториях Adaptyv Bio и Twist Bioscience; их аффинность (KD) находилась в диапазоне однозначных наномолярных значений.

Узнать, связываются ли две молекулы (например, антитело и мини-белок) с одним и тем же участком мишени, можно с помощью конкурентного эксперимента, который показывает, способны ли оба белка-связывателя присоединиться к мишени одновременно. Если одна молекула мешает связыванию другой, вероятно, они конкурируют за один и тот же участок.

Результаты наших конкурентных экспериментов позволяют предположить, что каждый из белков-связывателей против Cn2 связывается на том же эпитопе (участке связывания), что и антитело LR, или рядом с ним. Согласно опубликованным данным, LR нейтрализует Cn2 у мышей. Участок связывания LR охватывает часть Cn2, которая присоединяется к натриевому каналу и вызывает неправильное возбуждение нервов. Мы не проверяли наши наиболее сильные белки-связыватели, Cn2-B1 и Cn2-B2, в клеточной среде или на живых животных, но конкуренция с LR позволяет предположить, что они, вероятно, нейтрализуют Cn2.

Белок-связыватель — лишь первый шаг к созданию противоядия

Наши результаты показывают связывание только с рекомбинантными токсинами, которые получают в лаборатории на основе генов соответствующих токсинов, а не выделяют из яда. Два главных ограничения этого исследования заключаются в том, что мы не проверяли ни одну разработку на способность нейтрализовать токсины in vitro (на выращенных в лаборатории клетках) и не оценивали эффективность in vivo (на живых животных, например мышах).

Если бы мы продвигали один из вариантов к созданию лекарства, одним из наиболее перспективных кандидатов стал бы Cn2-B1. Но сначала нам нужно было бы подтвердить, что он также связывается с токсином, выделенным из яда. Затем мы оценили бы его действие in vitro с помощью регистрации методом пэтч-клампа (позволяющей измерить электрический ток, проходящий через натриевые каналы), чтобы выяснить, мешает ли он токсину воздействовать на канал. После этого потребовалось бы проверить белок-связыватель на мышах и установить, действительно ли он их защищает. Помимо нейтрализации токсина, лечение должно быть безопасным, стабильным, доступным по цене и доступным в местах, где происходят ужаления. Чтобы лечение дошло до пациентов, потребуется также сотрудничество врачей, финансирующих организаций и политиков.

Мы публикуем все 211 разработок и данные об их связывании, чтобы другие исследователи могли продолжить нашу работу. Надеемся, что эта демонстрация возможностей Claude и публикуемые нами данные помогут ускорить дальнейшие исследования по разработке противоядий.

Дополнительные материалы

Эти материалы содержат более подробную техническую информацию и результаты, описанные выше:

• Технический отчёт;
• Публикация данных: все 211 разработок, предсказанные структуры и оценки, а также экспериментальные данные;
• Наши предыдущие публикации о разработке белков и улучшении методов моделирования биомолекул.