新研究：借助AI从零合成致命蛇毒的解毒蛋白

Daphane

來源:大紀元



新研究将AI用于蛋白质设计，成功合成出针对蛇毒的解毒蛋白。(Shutterstock)


【大纪元2025年03月29日讯】（大纪元记者王月编译报导）2024年，瑞典王家科学院宣布将诺贝尔化学奖的一半奖金授予华盛顿大学医学院的大卫‧贝克（David Baker）教授，以表彰其在使用电脑软件设计蛋白质方面的贡献，另一半奖金则共同授予两位来自谷歌DeepMind的科学家，以表彰其成功引入人工智能技术，在蛋白质结构预测方面做出的贡献。

贝克教授主要以开发用于预测和设计蛋白质结构和功能的计算方法而闻名，但他也领导着一个偏重实验的生物化学研究团队。其研究团队开发了用于蛋白质结构预测的名为“Rosetta”的算法，并且第一次设计出了原本不存在于自然界中的蛋白质，并且该算法已扩展为一种蛋白质设计工具，并衍生出众多分布式的计算项目。

如今，在人工智能和深度学习的帮助下，贝克教授的研究团队不仅突破了蛋白质设计的诸多限制，可根据需要“定制化”设计出以往用传统方法无法获得的蛋白质，而且将设计蛋白的时间从“月”缩短至“分”，甚至“秒”。借助人工智能和大数据，贝克教授与合作者们正在带来一场药物开发的革命。

今年1月，贝克教授与丹麦技术大学研究蛇咬伤治疗方法的医学生物技术专家蒂莫西‧詹金斯（Timothy Jenkins）的团队合作，在国际著名期刊《自然》（Nature）上发表了一份重磅研究：研究团队从零设计了可以中和致命蛇毒的新型蛋白，有望以低成本来提供各类更加安全、更加有效的抗蛇毒血清。

“一朝被蛇咬， 十年怕井绳”，现实生活中人们对蛇毒是忌惮三分，唯恐避之不及。据报导，每年有10万人因蛇毒被夺去生命，还有更多人因蛇毒而患上严重的并发症或导致终身残疾。蛇的毒液成分比较复杂，其中最致命的成分是三指毒素（Three-finger toxins, 3FTx），能引起多种病理反应，包括严重的组织损伤和降低烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）的功效，进而危及人的生命。

目前，唯一可用的治疗方法是从免疫动物血浆中提取多克隆抗体（Polyclonal Antibody），但其成本高且对三指毒素的疗效有限。贝克教授的研究团队利用深度学习的方法，从零设计了能够中和三指毒素中短链和长链α-神经毒素及细胞毒素的蛋白质。在体外的实验中发现，这些蛋白质可以有效地中和三指毒素的全部三种亚家族（subfamily）毒素；他们在小鼠体内实验中发现，该蛋白质可以保护小鼠免受致命剂量的神经毒素的攻击。

α-神经毒素结合蛋白的设计

α-神经毒素是三指毒素（3FTxs）中的一个重要亚类，主要可分为短链和长链α-神经毒素，两者在二硫键的长度和数量上有所不同。短链和长链α-神经毒素都能干扰肌肉型nAChR（烟碱型乙酰胆碱受体），但只有长链α-神经毒素能极强地抑制神经元型nAChR。许多眼镜蛇毒液的致死原因均来自于这类毒素，因此中和α-神经毒素对于实现治疗效果至关重要。

为了实现功能性中和，研究团队专注于通过空间位阻阻断神经毒素与nAChR的结合，而不是像传统的抗体那样直接靶向某个nAChR结合位点。他们利用了最近开发的算法，通过将毒素的边缘β链与结合蛋白（binding protein）的边缘β链互补，能够稳健地提升设计蛋白的亲和力。设计结果再经过AlphaFold2（Google团队研发的AI系统）的初步猜测和Rosetta的算法检验，筛选出了功效最强的SHRT和LNG两种设计出的蛋白进行实验验证。

细胞毒素结合蛋白的设计

细胞毒素是眼镜蛇毒液中三指毒素（3FTxs）家族中一类重要功能组分，它通过破坏磷脂膜入侵细胞发挥作用，并导致局部组织损伤。中和这些毒素对于预防蛇咬伤后严重的后遗症（如肢体畸形、截肢和长期残疾）是至关重要的。

针对细胞毒素，研究人员认为仅依赖β链配对作用可能不足以防止细胞毒素侵入细胞膜中。由于细胞毒素的三指环在与膜相互作用和破坏中起关键作用，研究团队决定集中靶向细胞毒素的三指环区域，通过在这些关键区域定义热点残基，生成结合蛋白骨架，研发了一种蛋白质结合物（CYTX），其展现出强大的中和活性，并且具有很好的热稳定性。

体外中和实验

α-神经毒素中和蛋白的评估：研究团队评估了这些人工蛋白在膜片钳实验中功能性中和α-神经毒素的能力，使用的是表达肌肉型nAChR的人源性横纹肌肉瘤细胞系。实验发现，人工SHRT解毒蛋白在1:1的摩尔比（毒素与解毒蛋白的比例）下实现了毒素的完全中和。类似地，人工LNG解毒蛋白也表现出极佳的中和效能，在1:1的摩尔比下实现了完全保护。

细胞毒素中和蛋白的评估：研究团队使用细胞毒性测定法评估了人工CYTX（蛋白质结合物）解毒蛋白在不同眼镜蛇毒液中的交叉反应性。在1:5的摩尔比（毒素与解毒蛋白的比例）下，该设计能提供了70%—90%的保护，抑制了毒液引起的细胞毒性。不过，初步研究表明，在小鼠模型中，CYTX设计未显著减少由毒液引起的皮肤坏死性损伤。CYTX的亲和力可能需要进一步优化以实现体内完全中和细胞毒素。

体内保护实验

研究团队通过腹腔内给药测定了α-神经毒素在雄性小鼠中的半致死剂量（LD50），α-神经毒素的LD50为0.098 µg/g。为了评估神经毒素靶向解毒蛋白的体内中和效果，研究团队实时监测了24小时内的小鼠生存情况。在用相应的短链神经毒素与SHRT解毒蛋白按1:10的摩尔比进行腹腔内给药后，SHRT合成蛋白为小鼠提供了100%的保护，但未能中和非靶标的短链α-眼镜蛇毒素。LNG解毒蛋白也展现出类似的效果，完全中和了短链α-眼镜蛇毒素，但未能中和非靶标的短链α-神经毒素。

展望

基于免疫动物血浆的多克隆抗体的抗蛇毒血清长期以来一直是治愈蛇毒的解药，但其应用受到一些限制，包括疗效不佳、易引发严重不良反应、批次间差异大以及生产成本高等问题。贝克教授研究团队借助深度学习，针对蛇毒毒素，从零设计出相应的解毒蛋白，提供了一种低成本的快速开发高效解毒剂的方法。而且，该研发思路具有很好的扩展性，能够指导其它毒液的解毒蛋白的设计，迅速制定具有更广泛物种覆盖范围的抗毒血清。

当然，研究团队也指出，蛇毒毒液成分复杂，并非简单的由几种毒素蛋白组成，只是单一地中和其中两、三种毒素，还不足以完全中和伤害，以至有效挽救生命。研究团队也在积极开发由多种解毒蛋白组成的混合解毒剂，以实现蛇毒的有效、全面的中和，防止出现生命危险。此外，在现阶段，本研究开发的人工蛋白也可以与传统的抗蛇毒血清相互补充，以改善现有治疗的有效性。

总之，由于计算机蛋白质设计比传统的抗体开发消耗更少资源，贝克教授的研究方案可以促进药物设计和研发的广泛化，使低收入国家的研究和医务人员也能更好地开发出有效的解毒剂，其研究具有广泛的应用前景。