Из 211 белков Claude против яда скорпионов сработали 17

Внутренняя исследовательская модель Anthropic за 64 часа спроектировала мини-белки против нейротоксинов скорпионов, и 17 из 211 проверенных в лаборатории дизайнов прошли критерии связывания. Задачу принесла инвестиционно-исследовательская фирма Citrini Research, а результаты и все дизайны Anthropic опубликовала 20 октября.

Вопрос Citrini был не про белки: может ли ИИ-разработка лекарств дать группе мотивированных неспециалистов взяться за настоящую проблему здоровья человека. Команда Anthropic по биологическим наукам стала искать такую задачу вместе с Claude и остановилась на скорпионах. Ужаления получают 1,2 миллиона человек в год и больше, умирают больше 3250, в основном дети в регионах со слабым доступом к медицине. Новые препараты дорого делать, и вернуть затраты они почти наверняка не смогут, поэтому ужаление скорпионом описывают как забытую тропическую болезнь.

Почему мишенью стал канал-связывающий участок

Самые опасные для человека нейротоксины скорпионьего яда цепляются к натриевым каналам - крупным белкам в мембране нервных клеток, через которые те генерируют импульс. Когда каналы сбиты с ритма, нервы срабатывают не вовремя и выбрасывают много стрессовых веществ вроде адреналина. В тяжёлых случаях это ведёт к сердечной недостаточности и отёку лёгких, иногда к смерти.

Противоядия против ужалений существуют, но делают их месяцами и по старой схеме: яд выдаивают у тысяч скорпионов, им иммунизируют лошадей, из крови лошадей выделяют антитела. Такие препараты работают при раннем введении, обычно покрывают лишь небольшое число нейротоксинов, дороги в производстве и во многих регионах либо дороги, либо в дефиците.

Отсюда расчёт на конструирование белка с нуля. Связывающий белок цепляется к конкретной мишени; антитело - природный пример такого. Если закрыть у токсина именно тот участок, которым он хватается за натриевый канал, до канала токсин не дойдёт. Компьютерный дизайн к тому же позволяет сразу оптимизировать свойства, важные для лекарства, - силу действия и стабильность, а стабильный белок проще довезти туда, где ужаления и случаются. Образцом послужила более ранняя работа, где спроектированные с нуля белки нейтрализовали нейротоксины змей и защитили мышей; по нейротоксинам скорпионов, насколько известно Anthropic, таких дизайнов до сих пор не описывали.

Мишеней взяли пять, из четырёх регионов: Cn2 (Мексика), Ts1 (Бразилия), AaH I и AaH II (Северная Африка), LqhIII (Ближний Восток). Набор подобран как трудный тест: общая укладка у всех одна, а последовательности аминокислот совпадают попарно лишь на 26-62%. Claude просили сделать четыре типа дизайнов: против каждого токсина по отдельности, против двух β-токсинов Ts1 и Cn2, против трёх α-токсинов AaH II, AaH I и LqhIII и против всех пяти сразу. Смысл последнего прикладной: чем меньше молекул нужно для универсального коктейля, тем дешевле и тем менее он привязан к региону.

Что модель решала сама

Начальный промпт задавал мишени, инструменты дизайна и сворачивания, правила новизны, оценки и фильтрации. Дальше Claude сам искал структуры токсинов в Protein Data Bank и базе AlphaFold, выбирал по пять горячих точек на каждом токсине - конкретных позиций аминокислот, за которые дизайн должен был зацепиться, - устанавливал пороги качества, решал, насколько опираться на каждый из доступных инструментов, и придумывал стратегию для мультитоксинных дизайнов.

Дальше счёт. Двенадцать инструментов, 318 484 дизайна, фильтрация всего, что походило на токсин или на известный белок. Претендентов Claude сворачивал в комплексе с токсином и просеивал: 553 052 пары. Кампания обошлась примерно в 10 000 GPU-часов и через 64 часа после первого промпта выдала финальный список из 180 дизайнов.

Первые 24 часа модель работала автономно; результаты оказались достаточно обнадёживающими, чтобы Anthropic отправила уточняющие запросы и попросила искать лучшие варианты. Уточнений было четыре, и в основном они толкали Claude к мультитоксинному связывателю. Большинство из 180 дизайнов, включая самый сильный связыватель Cn2-B1, модель отобрала только после третьего уточнения. Белковые последовательности в Twist Bioscience Claude по просьбе команды отправил сам - письмами, в которых было указано, что их писал Claude. Позже команда вместе с моделью добавила ещё 31 дизайн, итого 211: 60 против одного токсина (по 12 на каждый), 30 против двух β-токсинов, 30 против трёх α-токсинов и 91 против всех пяти.

Критерии связывания и кто их прошёл

Тестировали в двух организациях и в разных форматах. Adaptyv Bio наработала белки в бесклеточной системе - на машинерии синтеза белка, извлечённой из бактерий, без живых клеток. Twist Bioscience сделала их в клетках человеческой почки как сшивки с Fc, «ножкой» антитела. Это дополняющие друг друга способы измерить то же самое связывание, и Anthropic свела их вместе ради уверенности в результате.

Связывание в обеих лабораториях измеряли методом поверхностного плазмонного резонанса: токсин течёт над дизайном, прибор в реальном времени следит, как быстро токсин к нему прицепляется и отцепляется. Из этой кривой получается константа диссоциации KD, мера силы связывания: чем она ниже, тем связывание крепче.

Планка была строгая. Дизайн считался связывателем против токсина, только если он сработал в обеих лабораториях, показал связывание в каждой репликации, в каждой из них KD оказался 1 мкМ или крепче, и при этом не давал сигнала на CLEC12A - неродственный человеческий белок, которым проверяют «липкость» и связывание не с тем, с чем надо.

Прошли 17 дизайнов, каждый против одного токсина: семь против Cn2, по четыре против AaH II и AaH I, два против LqhIII. Среди 60 дизайнов против одиночных токсинов связывателями оказались 11, то есть 18% - обычная доля для кампаний белкового дизайна, в том числе для прежней работы самой Anthropic. А вот ни один дизайн, сделанный против нескольких токсинов, не прошёл больше чем по одному; Anthropic перечисляет возможные причины, от собственного промптинга и ограничений доступных инструментов до того, что мультитоксинный дизайн может быть биологически неосуществим.

Противоядием это в Anthropic не называют: нейтрализуют ли связыватели яд в клеточной среде, не проверяли, дальше нужны мыши и многое другое. Антитела и наноантитела остаются планкой, которую дизайну с нуля надо брать: у трёх таких молекул заявленная KD ниже 1 нМ.

Как это читают снаружи

Работу Anthropic отправила двум внешним экспертам, и оба назвали её обнадёживающим первым шагом. Сусана Васкес Торрес, постдок программы структурной биологии CNIO в Мадриде, смотрит на это как на смену узкого места:

Спроектировать связыватель почти против любой мишени уже не кажется нереальным. Очень крепкие связыватели мы теперь получаем удивительно быстро, и само связывание перестало быть главным узким местом.

Реальный эффект, по её словам, придёт от тех частей терапевтического конвейера, которые идут после связывания: превратить эти молекулы в настоящие лекарства - безопасные, доступные по цене и широко доступные.

Тимоти П. Дженкинс, доцент Технического университета Дании, читает результат как показатель скорости: спроектировать правдоподобные связыватели против пяти токсинов параллельно за считаные дни он называет хорошей иллюстрацией сдвига в разработке терапии, особенно для забытых болезней вроде отравлений животными ядами, которым инноваций не досталось из-за слабых коммерческих стимулов.

Все 211 дизайнов и лабораторные данные Anthropic выложила на Hugging Face вместе с техническим отчётом.