طراحی ۳۱۸,۴۸۴ پروتئین از زهر عقرب تنها در ۶۴ ساعت توسط «کلود»

در توسعه‌ای که می‌تواند تحقیقات پادزهر را تسریع کند، هوش مصنوعی «کلود» بیش از ۳۱۸ هزار طرح پروتئین را تنها در ۶۴ ساعت تولید کرد که ۱۷ مورد از آنها آزمایش‌های اتصال آزمایشگاهی علیه نوروتوکسین‌های خطرناک عقرب را با موفقیت پشت سر گذاشتند. این پژوهش که با کمک موسسه پژوهشی «Citrini Research» و آزمایش‌های آزمایشگاهی توسط شرکت‌های «Adaptyv Bio» و «Twist Bioscience» انجام شد، ۲۱۱ طرح انتخاب شده را آزمایش کرد که از این تعداد، ۱۷ طرح معیارهای اتصال دقیق را داشتند.

قوی‌ترین کاندیداها به یک سم عقرب مکزیکی با میل ترکیبی نانومولار تک رقمی متصل شدند که نشان‌دهنده تعامل مولکولی تنگاتنگ است. این نتایج، گامی اولیه به سوی توسعه پادزهر بالقوه است، نه یک درمان مؤثر.

هزاران پروتئین غربالگری شدند نیش عقرب سالانه حداقل ۱.۲ میلیون نفر را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار می‌دهد و موجب بیش از ۳۲۵۰ مرگ می‌شود که عمدتاً در میان کودکانی در مناطقی با دسترسی محدود به مراقبت‌های پزشکی است. پادزهرهای موجود عموماً با ایمن‌سازی حیوانات (از جمله اسب‌ها) با زهر و استخراج آنتی‌بادی از خون آنها تولید می‌شوند.

تولید آنها می‌تواند ماه‌ها طول بکشد و درمان‌ها ممکن است فقط در برابر طیف محدودی از سموم مؤثر باشند. شرکت آنتروپیک برای رفع این محدودیت‌ها، یک مدل تحقیقاتی داخلی «کلود» را به طراحی ریزمتصل‌ها(مینی‌بایندرها)؛ پروتئین‌های کوچکی که برای اتصال به اهداف خاص مهندسی شده‌اند، مأمور کرد.

این پروژه بر پنج نوروتوکسین از عقرب‌های یافت شده در مکزیک، برزیل، شمال آفریقا و خاورمیانه متمرکز بود. «کلود» که عمدتاً به صورت خودکار کار می‌کرد، از ۱۲ ابزار طراحی پروتئین برای تولید ۳۱۸ هزار و ۴۸۴ کاندیدا و غربالگری محاسباتی ۵۵۳ هزار و ۵۲ جفت پروتئین-سم استفاده کرد.

این کمپین تقریباً معادل ۱۰ هزار ساعت توان پردازنده گرافیکی(GPU) را مصرف کرد. «کلود» پس از یک درخواست اولیه و چهار پیگیری، ۱۸۰ طرح را برای آزمایش آزمایشگاهی انتخاب کرد.

محققان متعاقباً با کمک این مدل، ۳۱ طرح دیگر را اضافه کردند. ۲۱۱ کاندیدای حاصل شامل پروتئین‌هایی بودند که برای هدف قرار دادن سموم منفرد و سایر پروتئین‌هایی که برای اتصال همزمان به چندین سم طراحی شده‌اند.

شرکت‌های «Adaptyv Bio» و «Twist Bioscience» پروتئین‌ها را با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی مختلف تولید کردند. هر دو شرکت اتصال را از طریق رزونانس پلاسمون سطحی اندازه‌گیری کردند؛ تکنیکی که میزان قدرت اتصال مولکول‌ها و سرعت جداسازی آنها را ردیابی می‌کند.

هر کاندیدا برای واجد شرایط بودن، باید اتصال ثابتی را در هر دو آزمایشگاه نشان می‌داد، آستانه میل ترکیبی مشخصی را برآورده می‌کرد و هیچ اتصال قابل تشخیصی به یک پروتئین انسانی غیرمرتبط که به عنوان گروه کنترل استفاده می‌شد، نشان نمی‌داد. اتصال قوی ۱۷ طرح این الزامات را، از جمله ۷ طرح در برابر سم عقرب مکزیکی cn۲، تعداد ۴ طرح در برابر AaH I و AaH II و دو طرح در برابر LqhIII برآورده کردند.

ضمن اینکه هیچ یک از طرح‌های مولتی‌توکسین با موفقیت در برابر بیش از یک سم واجد شرایط نشدند. از میان ۶۰ طرحی که به طور خاص برای سموم منفرد توسعه داده شده بودند، ۱۱ طرح موفق شدند که تقریباً ۱۸ درصد نرخ موفقیت را نشان دهند.

دو کاندیدای پیشرو موسوم به Cn۲-B۱ و Cn۲-B۲، اتصال بسیار نیرومندی را نشان دادند. آزمایش‌های رقابتی نشان داد که آنها در نزدیکی همان محلی متصل می‌شوند که آنتی‌بادی قبلاً نشان داده بود Cn۲ را در موش‌ها خنثی می‌کند.

با این حال، محققان اتصال را فقط در برابر سموم تولید شده در آزمایشگاه آزمایش کردند، نه زهر استخراج شده از عقرب‌ها. آنها مشخص نکرده‌اند که آیا این کاندیداها می‌توانند فعالیت سم را در سلول‌ها مسدود کنند یا از حیوانات محافظت کنند.

قبل از اینکه توسعه بالینی آغاز شود، آزمایش‌های بیشتری برای بررسی خنثی‌سازی زهر، ایمنی، پایداری و اثربخشی درمانی لازم است. شرکت «آنتروپیک» در حال انتشار تمام ۲۱۱ طرح، ساختارهای پیش‌بینی‌شده و نتایج تجربی برای پشتیبانی از تحقیقات بیشتر است.

این شرکت یافته‌های خود را به جای انتشار در یک مجله داوری‌شده، در یک گزارش فنی به تفصیل شرح داده است.