David Baker｜从头设计蛋白中和蛇毒毒素

AI设计的蛋白质为蛇咬伤治疗带来新希望

研究背景

蛇毒中的三指毒素（3FTxs）是一类高度致命的神经毒素，能够引起严重的组织损伤和神经功能障碍。目前的治疗手段主要依赖于从免疫动物血浆中提取的多克隆抗体，这些抗体不仅成本高昂，而且对3FTxs的中和效力有限。

蛇咬伤导致的中毒是一个全球性的健康问题，尤其在热带和亚热带地区。蛇毒中含有的复杂蛋白质和酶，如三指毒素（3FTxs），能够迅速引发一系列病理效应，包括肌肉瘫痪、呼吸衰竭和组织坏死。这些毒素通过与受害者体内的烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）结合，干扰正常的神经传导，导致生命威胁的神经毒性。

现有疗法的局限：目前，治疗蛇咬伤主要依赖于从免疫动物血浆中提取的多克隆抗体。然而，这种方法存在几个问题：高昂的成本、有限的效力、以及在偏远地区的不可达性。此外，这些抗体可能引起严重的副作用，如过敏反应和发热，且在对抗某些蛇毒中的低免疫原性毒素时效果不佳。

通过这些图表，我们不仅能够直观地理解蛇毒毒素的结构和作用机制，还能够领会到设计新型蛋白质以中和这些毒素的科学挑战和潜在影响。

研究方法

利用深度学习的力量设计蛋白来中和蛇毒。研究团队采用了深度学习技术，特别是一种名为RFdiffusion的方法，来设计全新的蛋白质结构。这种方法允许科学家从头开始设计蛋白质，而不是依赖于自然界存在的蛋白质。通过这种方式，研究人员能够创造出专门针对3FTxs的蛋白质，这些蛋白质具有高亲和力和热稳定性。

研究结果

精确的蛋白质-毒素相互作用， 研究人员专注于设计蛋白质与3FTxs的β-折叠片之间的相互作用。他们利用二级结构和块邻接张量来指导RFdiffusion模型，确保设计出的蛋白质能够与毒素的特定结构域正确配对。

实验验证与优化， 设计的蛋白质经过了一系列的实验验证，包括酵母表面展示筛选和体外实验，以测试它们与3FTxs的结合亲和力和中和能力。通过表面等离子共振(SPR)和生物层干涉测量(BLI)技术，研究人员能够精确测量蛋白质与毒素之间的结合强度。

图2c通过SPR技术提供了设计的蛋白质与3FTxs结合的实验数据。这些数据以解离常数（Kd）的形式展示，证明了设计的蛋白质具有高亲和力。

热稳定性与结构验证， 设计的蛋白质不仅需要有高亲和力，还需要有良好的热稳定性，以便在不同的环境条件下保持其结构和功能。通过圆二色谱（CD）技术，研究人员验证了蛋白质的二级结构和热稳定性。

通过有限的实验筛选，研究团队成功获得了具有卓越热稳定性、高亲和力的设计蛋白质。这些蛋白质在体外实验中有效地中和了所有三种3FTx亚家族，并且在小鼠模型中保护它们免受致命的神经毒素挑战。

研究意义

这项研究不仅提供了一种新的蛇毒中和策略，而且展示了计算设计方法在治疗发现中的潜力，尤其是在资源有限的环境中。这些设计蛋白质具有高稳定性，易于通过微生物发酵策略生产，有望降低成本，提高抗蛇毒疗法的可获得性。

结论结语

这项研究为开发更安全、成本效益高、广泛可及的下一代抗蛇毒疗法奠定了基础。随着进一步的研究和开发，这些设计蛋白质有望成为传统抗蛇毒血清的有效替代品，为全球范围内的蛇咬伤治疗带来革命性的改变。

这项研究不仅展示了深度学习和蛋白质设计在医学领域的强大潜力，也为全球范围内的蛇咬伤治疗提供了一线新的希望。随着科技的不断进步，我们期待未来能够有更多的创新疗法来对抗这一被忽视的热带疾病。