Claude 设计靶向蝎子神经毒素的蛋白结合剂

摘要：作为我们探索 Claude 如何助力加快药物发现工作的一部分，我们让一个内部研究模型设计小型结合蛋白（与靶点紧密结合的小型蛋白质），以对抗蝎子神经毒素。Claude 根据我们的提示词和四次后续提示开展工作；这些提示由我们与金融投资研究公司 Citrini Research 合作制定。Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 的团队对 211 种设计进行了结合能力实验测试。其中，17 种符合我们的标准。我们将公开全部 211 种设计及其数据，作为该领域的一项资源。

今年 8 月，我们展示了Claude 如何设计蛋白质小型结合蛋白，当时只向它提供了一条提示词。在发布这些结果的一个月前，Citrini Research 的团队带着一个有趣的问题找到我们：Claude（以及更广义的 AI 药物发现）能否让一群有意愿的非专家着手解决人类健康领域的真实问题？我们生命科学研究团队的成员着手寻找答案，首先与 Claude 集思广益各种问题。最终，我们决定请 Claude 协助设计可对抗蝎子神经毒素的新型蛋白质结合剂，希望这些结合剂有朝一日可用于开发蝎子抗毒剂。

每年有至少 120 万人被蝎子蜇伤，造成超过 3,250 人死亡，其中大多是医疗条件有限地区的儿童。新型疗法的研发成本高昂，而且也不太可能收回开发成本。由于投入如此之少，蝎子蜇伤中毒一直被称为一种被忽视的热带疾病。

我们首先向 Claude 提供了此前蛋白质结合剂研究中所用的同一条提示词，并与 Citrini 一起对其进行了修改。¹接下来的 64 小时里，一个内部研究模型在 Claude Science 中运行，主要以自主方式开展工作，不过我们通过四次后续提示对工作进行了引导。在我们的监督下，Claude 分析了研究数据、生成图表，并起草了最终报告。

Claude 的设计工作产出了 17 种蛋白质结合剂，每一种都能与四种已知对人类有危险的蝎子神经毒素中的一种结合。在整个过程中，Claude 生成了 318,484 种蛋白质设计，并从中选出 180 种进行测试。在 Claude 的协助下，我们的团队又增加了 31 种。我们的合作伙伴 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 是两家合同研究组织（CRO），它们对全部 211 种设计进行了实验室测试，以确定这些设计是否能与其所针对的毒素结合；其中 17 种设计符合我们对结合剂的标准。我们尚未确认这些结合剂能否在细胞环境中中和蝎子毒液，因此我们不声称已经制成抗毒剂。

我们将 Claude 的工作成果交给两位外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins 审阅，他们表示这项工作是一个有希望的第一步。如果 AI 如今能在几天内设计出针对多种难以靶向的毒素的可信结合剂，并且这些结合剂能在数周内于实验室得到确认，那么理论上，这可能加快针对毒液蜇伤和其他被忽视疾病的药物发现。一如既往，挑战在于将这些结合剂转化为安全、价格亲民且广泛可及的药物。

我们在技术报告中分享更多细节，并公开全部 211 种设计及其数据。

针对几乎任何靶标设计结合剂，如今看来已不再是不切实际的。现在，我们可以在极短时间内获得亲和力很高的结合剂，结合过程本身也不再是主要瓶颈。对于蛇和蝎子等有毒动物而言，其咬伤和蜇伤会在医疗资源不足的地区导致大量人员死亡或重伤；真正的影响将来自解决治疗研发流程中结合之外的其他环节。挑战在于利用这些非凡工具，开发出能够成为真正药物的分子——安全、价格低廉且可广泛获得的药物。

Susana Vázquez Torres，博士后研究员，结构生物学项目组，西班牙国家癌症研究中心 (CNIO)，西班牙马德里。

针对四种蝎子的五种毒素，从头设计结合剂

蝎毒含有多种蛋白质神经毒素。最可能伤害或杀死人类的神经毒素会附着于钠通道；钠通道是嵌在神经细胞膜中的大型蛋白，使神经细胞能够发出信号。钠通道受到干扰时，神经会在错误的时间发出信号，从而释放大量肾上腺素等应激化学物质。在严重情况下，这可能导致心力衰竭和肺部积液，偶尔造成死亡。

目前已有一些抗蝎毒血清可用于治疗蝎子蜇伤。它们通常利用经免疫动物的抗体制成，这一过程可能耗时数月。人们从数千只蝎子中采集蝎毒，用来免疫马；随后科学家从马血液中纯化由此产生的抗体。传统抗蝎毒血清若尽早使用可以奏效，但通常只对少数几种神经毒素有效。它们的生产成本也很高，在许多地区价格昂贵或供应不足。

从头 设计有望提供一种解决方案。结合剂是一种紧密结合特定靶标的分子，抗体就是天然存在的一个例子。原则上，如果结合剂靶向神经毒素中与钠通道牢固结合的部分，就可能阻止毒素到达通道。在从头设计中，针对特定靶标从零生成蛋白质结合剂。这些结合剂通过计算手段设计，并可针对效力、稳定性等类药物特性进行优化，从而可能更容易在蜇伤最常见的地区供应。

我们的方法受到一项早期工作的启发，该工作通过从头设计蛋白质来中和蛇神经毒素并保护小鼠。据我们所知，尚无针对蝎子神经毒素的从头设计结合剂的报道。

在此次项目中，我们选择了分布在四个地区的五种蝎毒神经毒素作为靶标：墨西哥 (Cn2)、巴西 (Ts1)、北非 (AaH I 和 AaH II) 以及中东 (LqhIII)。我们还选择将设计靶向每种毒素的通道结合位点。Claude 通过检索蛋白质数据银行 (PDB) 和 AlphaFold 数据库 (AFDB)，选出了用于设计的毒素结构。对于每种毒素，它选择了五个热点；这些是毒素上的特定氨基酸位置，也是相应结合剂设计要结合的位置。

我们首先想知道 Claude 能否针对单个毒素设计结合剂。但我们也好奇 Claude 能否设计针对多个毒素的结合剂。尝试设计多毒素结合剂具有实际意义，因为它可以减少通用抗毒剂鸡尾酒所需的分子数量，从而形成最具成本效益且不受地区限制的治疗方案。我们选取了这五种蝎毒素（Cn2、Ts1、AaH I、AaH II 和 LqhIII），作为多毒素设计的一项严苛测试：它们的蛋白质整体折叠构型相同，但任意两种毒素的氨基酸序列仅有 26% 至 62% 的一致性。

为了了解 Claude 的能力上限，我们让它设计四类结合剂：分别针对五种毒素中每一种毒素的结合剂；针对 β 家族毒素 Ts1 和 Cn2 的结合剂；针对 α 家族毒素 AaH II、AaH I 和 LqhIII 的结合剂；以及同时针对全部五种毒素的结合剂。

在短短几天内并行设计出五种毒素的可信结合剂，充分展示了我们正在治疗性药物研发领域看到的、由 AI 驱动的范式转变。对于动物叮咬中毒等被忽视的疾病而言，这一点尤其如此；由于商业激励不足，这些领域长期缺乏创新。能够以智能体方式应对范围极其广泛的动物毒素靶标空间，可以显著加快研发进程，并让现实可行的治疗方案更早成为可能。

Timothy P. Jenkins，丹麦技术大学副教授。

Claude 以相当高的自主性开展了这项设计工作

我们最初的提示词定义了神经毒素靶标、蛋白质设计和折叠工具，以及新颖性、评分和筛选规则。除了选择结构和氨基酸热点之外，Claude 还设定了一个设计必须达到的质量阈值，决定了每种可用设计工具的使用力度，并制定了针对多种毒素设计结合剂的策略。

最终，Claude 使用 12 种设计工具生成了 318,484 个设计，并过滤掉任何与毒素或已知蛋白相似的设计。Claude 对 553,052 个设计-毒素配对进行了共折叠和筛选，预测每个配对作为一个复合物的结构。在我们向 Claude 提供初始提示词 64 小时后，它生成了最终包含 180 个设计的清单。这项工作消耗了约 10,000 个 GPU 小时。²

在我们的首次提示词之后，Claude 自主工作了 24 小时。其结果促使我们提示 Claude 继续开展这项工作并寻找更好的设计。我们的后续提示词主要旨在引导 Claude 设计一种多毒素结合剂。Claude 直到我们第三次后续提示之后才选定了 180 个设计中的大多数——包括我们最强的结合剂（Cn2-B1）。应我们的要求，Claude 将蛋白质序列发送给 Twist Bioscience（邮件中注明这些序列由 Claude 编写），后者生产了这些蛋白质，以观察它们与毒素的结合效果。之后我们与 Claude 合作，新增了另外 31 个设计，使总数增至 211 个：60 个针对单一毒素的设计（每种毒素 12 个）、30 个针对两种 β 家族毒素的设计、30 个针对三种 α 家族毒素的设计，以及 91 个针对全部五种毒素的设计。

我们的团队评估了 211 个设计，其中 17 个符合我们对结合分子的标准，且每个都针对一种单一毒素。针对多种毒素的设计中，没有任何设计能针对一种以上毒素达到我们的标准。（除了受当前能力限制外，Claude 难以应对这一任务还可能有多种原因，包括我们提供的提示、现有设计工具的局限，甚至多毒素设计在生物学上的可行性。）其中，7 个设计是针对 Cn2 的结合分子，4 个针对 AaH II，4 个针对 AaH I，2 个针对 LqhIII。在 60 个单毒素设计中，11 个是结合分子（18%）。这一比率与典型蛋白质设计项目（包括我们此前的工作）一致。

在实验室测试 Claude 的设计

完成该项目后，我们将这些设计送往 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience，测试其结合能力。两个团队都在各自的实验室制备了这些设计，但采用了不同的形式。Adaptyv Bio 在无细胞系统中表达这些设计，该系统使用从细菌而非活细胞中提取的蛋白质合成机制。Twist Bioscience 在哺乳动物细胞（此次为人肾细胞）中将这些设计表达为与Fc（抗体茎部）的融合蛋白。这两种互补方式可用于测量底层结合过程；为提高对结果的信心，我们结合使用了两种方法。

两个实验室都通过表面等离子体共振（SPR）测量结合。在此过程中，毒素流过设计分子表面，而 SPR 仪器实时追踪毒素与其结合和解离的速度。由此产生的曲线称为传感图，可得到一项称为解离常数（KD）的测量值，用于衡量结合强度（或亲和力）。KD 越低，结合越紧密。

在评估所得设计时，我们制定了严格标准，只有达到这些标准的设计才会被标记为针对某种毒素的结合分子。该设计需要在两个实验室均为命中³——也就是说，在每个重复实验中都需要显示其与该毒素结合的证据，而且每个 KD 都必须不高于 1 µM。我们还要求该设计对 CLEC12A 不产生信号；这是一种与目标无关的人体蛋白，用于衡量脱靶结合或“黏性”。

Claude 的 Cn2 结合分子可能与中和抗毒素抗体结合相同位点

抗体和纳米抗体仍是从头设计需要超越的标杆。已有三种此类分子被报道对 Cn2 或 AaH II 的亲和力（KD）低于 1 nM（纳摩尔），并已被证明可以保护小鼠免受蝎毒伤害。

我们最强的两个结合分子分别称为 Cn2-B1 和 Cn2-B2，它们靶向来自墨西哥蝎子 Centruroides noxius 的神经毒素 Cn2。在 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience，这两个分子都能紧密结合 Cn2，亲和力（KD）处于个位数纳摩尔范围。

确定两个分子（例如，一种抗体和一种小型蛋白）是否结合靶标上同一位点的一种方法，是进行竞争实验，该实验测试两个结合分子能否同时连接到靶标。 如果一种分子的存在会降低另一种分子的结合能力，那么它们很可能在竞争同一个结合位点。

我们的竞争实验表明，我们的每种 Cn2 结合剂都会结合在与一种名为 LR 的抗体相同或相近的表位（结合位点）上；据报道，LR 可在小鼠中中和 Cn2。LR 的结合位点覆盖了 Cn2 中与钠通道结合并导致神经异常放电的部分。我们尚未在细胞环境或活体动物中测试结合能力最强的 Cn2-B1 和 Cn2-B2，但它们能够与 LR 竞争这一事实表明，它们很可能可以中和 Cn2。

开发抗蛇毒血清，结合剂只是第一步

我们的结果仅显示了对重组毒素的结合作用；重组毒素是在实验室中由每种毒素的基因培养而来，而不是从毒液中纯化得到。本研究最大的两个局限是：我们没有在体外（针对实验室培养的细胞）测试任何设计的中和能力，也没有测试其体内 疗效（针对小鼠等活体动物）。

如果要将其中一种设计推进至治疗阶段，Cn2-B1 将是我们最有希望的候选者之一。不过，首先我们需要确认该设计也能与从毒液中纯化得到的毒素结合。随后，我们会在体外利用膜片钳记录评估其功能（这种技术可以测量流经钠通道的电流），以确定它是否能阻止毒素作用于该通道。接下来，我们需要在小鼠中测试这种结合剂，确认它是否确实能保护小鼠。除了中和毒素之外，治疗方法还必须安全、稳定、负担得起，并且在发生蜇伤的地方能够获得。让患者获得治疗还需要临床医生、资助方和政策制定者的合作。

我们将公布全部 211 个设计及其结合数据，以便其他研究人员以我们的工作为基础继续探索。我们希望，这次对 Claude 能力的展示以及我们发布的数据，能够帮助加快抗蛇毒血清设计的进一步研究。

延伸阅读

以下资源提供了更深入的技术讲解，以及关于上述结果的更详细信息：