新研究：藉助AI從零合成致命蛇毒的解毒蛋白
【大紀元2025年03月29日訊】（大紀元記者王月編譯報導）2024年，瑞典王家科學院宣布將諾貝爾化學獎的一半獎金授予華盛頓大學醫學院的大衛‧貝克（David Baker）教授，以表彰其在使用電腦軟件設計蛋白質方面的貢獻，另一半獎金則共同授予兩位來自谷歌DeepMind的科學家，以表彰其成功引入人工智能技術，在蛋白質結構預測方面做出的貢獻。
貝克教授主要以開發用於預測和設計蛋白質結構和功能的計算方法而聞名，但他也領導著一個偏重實驗的生物化學研究團隊。其研究團隊開發了用於蛋白質結構預測的名為「Rosetta」的算法，並且第一次設計出了原本不存在於自然界中的蛋白質，並且該算法已擴展為一種蛋白質設計工具，並衍生出眾多分布式的計算項目。
如今，在人工智能和深度學習的幫助下，貝克教授的研究團隊不僅突破了蛋白質設計的諸多限制，可根據需要「定製化」設計出以往用傳統方法無法獲得的蛋白質，而且將設計蛋白的時間從「月」縮短至「分」，甚至「秒」。藉助人工智能和大數據，貝克教授與合作者們正在帶來一場藥物開發的革命。
今年1月，貝克教授與丹麥技術大學研究蛇咬傷治療方法的醫學生物技術專家蒂莫西‧詹金斯（Timothy Jenkins）的團隊合作，在國際著名期刊《自然》（Nature）上發表了一份重磅研究：研究團隊從零設計了可以中和致命蛇毒的新型蛋白，有望以低成本來提供各類更加安全、更加有效的抗蛇毒血清。
「一朝被蛇咬， 十年怕井繩」，現實生活中人們對蛇毒是忌憚三分，唯恐避之不及。據報導，每年有10萬人因蛇毒被奪去生命，還有更多人因蛇毒而患上嚴重的併發症或導致終身殘疾。蛇的毒液成分比較複雜，其中最致命的成分是三指毒素（Three-finger toxins, 3FTx），能引起多種病理反應，包括嚴重的組織損傷和降低菸鹼型乙醯膽鹼受體（nAChR）的功效，進而危及人的生命。
目前，唯一可用的治療方法是從免疫動物血漿中提取多克隆抗體（Polyclonal Antibody），但其成本高且對三指毒素的療效有限。貝克教授的研究團隊利用深度學習的方法，從零設計了能夠中和三指毒素中短鏈和長鏈α-神經毒素及細胞毒素的蛋白質。在體外的實驗中發現，這些蛋白質可以有效地中和三指毒素的全部三種亞家族（subfamily）毒素；他們在小鼠體內實驗中發現，該蛋白質可以保護小鼠免受致命劑量的神經毒素的攻擊。
α-神經毒素結合蛋白的設計
α-神經毒素是三指毒素（3FTxs）中的一個重要亞類，主要可分為短鏈和長鏈α-神經毒素，兩者在二硫鍵的長度和數量上有所不同。短鏈和長鏈α-神經毒素都能干擾肌肉型nAChR（菸鹼型乙醯膽鹼受體），但只有長鏈α-神經毒素能極強地抑制神經元型nAChR。許多眼鏡蛇毒液的致死原因均來自於這類毒素，因此中和α-神經毒素對於實現治療效果至關重要。
為了實現功能性中和，研究團隊專注於通過空間位阻阻斷神經毒素與nAChR的結合，而不是像傳統的抗體那樣直接靶向某個nAChR結合位點。他們利用了最近開發的算法，通過將毒素的邊緣β鏈與結合蛋白（binding protein）的邊緣β鏈互補，能夠穩健地提升設計蛋白的親和力。設計結果再經過AlphaFold2（Google團隊研發的AI系統）的初步猜測和Rosetta的算法檢驗，篩選出了功效最強的SHRT和LNG兩種設計出的蛋白進行實驗驗證。
細胞毒素結合蛋白的設計
細胞毒素是眼鏡蛇毒液中三指毒素（3FTxs）家族中一類重要功能組分，它通過破壞磷脂膜入侵細胞發揮作用，並導致局部組織損傷。中和這些毒素對於預防蛇咬傷後嚴重的後遺症（如肢體畸形、截肢和長期殘疾）是至關重要的。
針對細胞毒素，研究人員認為僅依賴β鏈配對作用可能不足以防止細胞毒素侵入細胞膜中。由於細胞毒素的三指環在與膜相互作用和破壞中起關鍵作用，研究團隊決定集中靶向細胞毒素的三指環區域，通過在這些關鍵區域定義熱點殘基，生成結合蛋白骨架，研發了一種蛋白質結合物（CYTX），其展現出強大的中和活性，並且具有很好的熱穩定性。
體外中和實驗
α-神經毒素中和蛋白的評估：研究團隊評估了這些人工蛋白在膜片鉗實驗中功能性中和α-神經毒素的能力，使用的是表達肌肉型nAChR的人源性橫紋肌肉瘤細胞系。實驗發現，人工SHRT解毒蛋白在1:1的摩爾比（毒素與解毒蛋白的比例）下實現了毒素的完全中和。類似地，人工LNG解毒蛋白也表現出極佳的中和效能，在1:1的摩爾比下實現了完全保護。
細胞毒素中和蛋白的評估：研究團隊使用細胞毒性測定法評估了人工CYTX（蛋白質結合物）解毒蛋白在不同眼鏡蛇毒液中的交叉反應性。在1:5的摩爾比（毒素與解毒蛋白的比例）下，該設計能提供了70%—90%的保護，抑制了毒液引起的細胞毒性。不過，初步研究表明，在小鼠模型中，CYTX設計未顯著減少由毒液引起的皮膚壞死性損傷。CYTX的親和力可能需要進一步優化以實現體內完全中和細胞毒素。
體內保護實驗
研究團隊通過腹腔內給藥測定了α-神經毒素在雄性小鼠中的半致死劑量（LD50），α-神經毒素的LD50為0.098 µg/g。為了評估神經毒素靶向解毒蛋白的體內中和效果，研究團隊實時監測了24小時內的小鼠生存情況。在用相應的短鏈神經毒素與SHRT解毒蛋白按1:10的摩爾比進行腹腔內給藥後，SHRT合成蛋白為小鼠提供了100%的保護，但未能中和非靶標的短鏈α-眼鏡蛇毒素。LNG解毒蛋白也展現出類似的效果，完全中和了短鏈α-眼鏡蛇毒素，但未能中和非靶標的短鏈α-神經毒素。
展望
基於免疫動物血漿的多克隆抗體的抗蛇毒血清長期以來一直是治癒蛇毒的解藥，但其應用受到一些限制，包括療效不佳、易引發嚴重不良反應、批次間差異大以及生產成本高等問題。貝克教授研究團隊藉助深度學習，針對蛇毒毒素，從零設計出相應的解毒蛋白，提供了一種低成本的快速開發高效解毒劑的方法。而且，該研發思路具有很好的擴展性，能夠指導其它毒液的解毒蛋白的設計，迅速制定具有更廣泛物種覆蓋範圍的抗毒血清。
當然，研究團隊也指出，蛇毒毒液成分複雜，並非簡單的由幾種毒素蛋白組成，只是單一地中和其中兩、三種毒素，還不足以完全中和傷害，以至有效挽救生命。研究團隊也在積極開發由多種解毒蛋白組成的混合解毒劑，以實現蛇毒的有效、全面的中和，防止出現生命危險。此外，在現階段，本研究開發的人工蛋白也可以與傳統的抗蛇毒血清相互補充，以改善現有治療的有效性。
總之，由於計算機蛋白質設計比傳統的抗體開發消耗更少資源，貝克教授的研究方案可以促進藥物設計和研發的廣泛化，使低收入國家的研究和醫務人員也能更好地開發出有效的解毒劑，其研究具有廣泛的應用前景。
責任編輯：李琳
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