AI又一项重磅突破！诺奖得主David Baker最新《自然》，用AI找到致命蛇毒的解药

▎药明康德内容团队编辑

2024年，万众瞩目的诺贝尔化学奖授予了一组有些特殊的科学家。人工设计蛋白领域先驱，华盛顿大学医学院的David Baker教授因计算蛋白设计的奠基性贡献，与被称作“AlphaFold之父”的两位谷歌DeepMind科学家共同摘得殊荣。

Baker教授的获奖成果要追溯到20多年前，他带领团队开发出了根据氨基酸序列解析蛋白质结构的程序Rosetta，并且第一次设计出了原本不存在于自然界中的蛋白质。最近几年，在深度学习技术的加持下，Baker团队不仅开发出了预测蛋白质结构水平与AlphaFold2相当的RoseTTAFold系统，更是在学术顶刊上如井喷般发表了多项颠覆蛋白设计的创新方法。

▲David Baker博士（图片来源：药明康德内容团队制作）

2022年，Baker团队开发了一款深度学习工具 ，能够从头设计出全新功能性蛋白分子，将设计蛋白的时间从“月”缩短至“秒”。2023年，他们开发的AI软件 突破了蛋白质设计的诸多限制，可根据需要“定制化”设计出以往无能为力的蛋白质。同一年，团队还提出了一项 ——利用强化学习，“自上而下”（top-down）设计蛋白质复合物结构……

借助这些工具与方法创新，Baker教授与合作者们正在带来一场药物与疗法开发的革命。例如，Baker团队利用AI平台系统性地 ，揭示了发现具有更强疗效和选择性的大环分子药物的新方向；在新分子领域，他与另一位诺贝尔化学奖得主Carolyn Bertozzi教授合作开发了内吞触发结合蛋白（EndoTag），EndoTag与LYTAC分子偶联进一步生成名为 的全新蛋白降解药物；就在最近，Baker教授合作开发了一种可定制化受体，可以 ，减少靶向非肿瘤毒性。

本周，Baker教授与丹麦技术大学的Timothy Jenkins团队合作，利用AI工具在一个全新的领域带来了有望挽救生命的突破。在一篇发表于《自然》的论文中，研究团队从头设计了可以中和致命蛇毒的新型蛋白，有望为传统的抗蛇毒血清提供更加安全、有效的替代品。

我们对毒蛇的了解往往来源于自然纪录片，但在现实世界的众多地区，毒蛇更是真实存在的致命威胁。每年全球有超过200万人遭受毒蛇咬伤，其中约10万人死于致命毒液，约30万人永久性残疾。

被毒蛇咬伤后，抗蛇毒血清成为拯救患者生命的最后手段。为了生产抗蛇毒血清，人们需要给动物注射毒液，然后从血浆中提取、纯化它们产生的抗体。不过，抗蛇毒血清在实际应用中也面临着一系列挑战，例如：高昂的生产成本和对冷链运输的要求限制了其可及性，它们对一些蛇毒的疗效有限，并且可能导致过敏反应、致热反应等副作用。

在蛇毒复杂的成分中，三指毒素（Three-finger toxins, 3FTx）是一种存在于眼镜蛇等致命毒蛇体内的非酶类毒液蛋白，可以造成严重的组织损伤、抑制烟碱乙酰胆碱受体（nAChR），最终导致危及生命的神经毒性。由于三指毒素在生产抗蛇毒血清的动物中免疫原性有限，无法引起强烈的抗体反应，因此对于该成分的治疗效果并不理想。

▲三指毒素靶点示意图（图片来源：参考资料[1]）

在研究团队看来，相比于传统的抗蛇毒血清开发，在AI的帮助下从头合成的方法更具优势。例如，从头蛋白质设计无需依赖于动物免疫接种，目标蛋白可以使用重组DNA技术制造；计算设计无需进行广泛的实验筛选，就能创造出具有高亲和力和特异性的结合蛋白……

要将理论上的优势付诸实践，研究团队使用的主要工具，就是本文开头提到的RFdiffusion。该程序可以将蛋白质的开发工作从动物体内转移至计算机中，设计出符合特定规格的新型蛋白质。不同于体积更大的传统抗体，研究团队基于RFdiffusion设计的是微小尺寸的蛋白结合剂（binder），其不仅生产更简单快速、制造成本更低（可以利用细菌或酵母大规模生产），而且组织渗透性更强，能够更有效地中和局部组织损伤。

此外，该研究的设计、筛选等工作，还借助了同样由Baker团队研发的ProteinMPNN，以及大名鼎鼎的AlphaFold 2和RoseTTAFold系统，可谓是“全明星阵容”。

▲研究团队在AI的协助下，设计出对抗致命毒液的新型蛋白（图片来源：华盛顿大学）

利用这些工具，研究团队分别设计了针对三指毒素家族中的长链α-神经毒素、短链α-神经毒素和细胞毒素的蛋白结合剂。

其中，α-神经毒素是很多眼镜蛇毒液致命作用的来源，对于实现治疗效果、阻止毒液引起的死亡至关重要。值得一提的是，长链与短链α-神经毒素在烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）中具有不同的药理学特征：两者均能抑制肌肉型nAChR受体，但只有长链α-神经毒素可以与神经元α7-nAChR受体强有力地结合。

此外，另一类毒素成分细胞毒素通过破坏磷脂膜的稳定性，发挥细胞毒性作用并诱导局部组织损伤。中和细胞毒素对于避免严重的后遗症，包括毒蛇咬伤后的肢体畸形、截肢和永久性残疾都至关重要。

完成特异性蛋白结合剂的设计与筛选后，研究团队先后通过细胞与小鼠实验检验了这些新型蛋白的抗蛇毒效果。在体外细胞研究中，蛋白结合剂对α-神经毒素展现出了优于纳米抗体的中和效果；在接下来的小鼠实验中，这些蛋白结合剂为小鼠提供了对致命剂量三指毒素的全面保护。无论是事先与毒素混合注射，还是模拟实际咬伤的延迟注射，取决于剂量、毒素和蛋白设计等因素，实验中小鼠的存活率在80%~100%之间。

▲该研究设计的蛋白结合剂晶体结构（图片来源：参考资料[1]）

基于这些结果，论文指出，这种强效、稳定且易于制造的毒素中和蛋白有望为更安全、更具成本效益且广泛使用的下一代抗蛇毒疗法奠定基础。当然研究团队也指出，由于蛇毒混合成分复杂，中和毒液的一种成分或许不足以防止致残性伤害或挽救生命，因此团队的下一个目标是制造出多种蛋白结合剂来阻止最危险的毒蛇。此外，在可预见的未来，传统抗蛇毒血清仍将是治疗蛇咬伤的基础，而来自这项研究的全新抗蛇毒蛋白最初或许可以用作补充剂或强化剂，以改善现有治疗的有效性。

参考资料：

[1] Vázquez Torres, S., Benard Valle, M., Mackessy, S.P. et al. De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08393-x

[2] AI-designed proteins neutralize snake toxins. Retrieved on Jan 15th, from https://www.eurekalert.org/news-releases/1070246

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