Resumen: Como parte de nuestro trabajo explorando cómo Claude puede ayudar a acelerar el descubrimiento de fármacos, le pedimos a un modelo de investigación interno que diseñara minifijadores (proteínas pequeñas que se unen firmemente a un objetivo) contra neurotoxinas de escorpión. Claude trabajó a partir de nuestro prompt y cuatro indicaciones de seguimiento, que desarrollamos en colaboración con la firma de investigación en inversiones financieras Citrini Research. Los equipos de Adaptyv Bio y Twist Bioscience probaron experimentalmente 211 diseños para evaluar su unión. De estos, 17 cumplieron nuestros criterios. Estamos publicando los 211 diseños y sus datos como un recurso para el campo.
En agosto, mostramos cómo Claude diseñó minifijadores de proteínas después de recibir un único prompt. Un mes antes de publicar esos resultados, un equipo de Citrini Research se había acercado a nosotros con una pregunta interesante: ¿podía Claude (y el descubrimiento de fármacos con IA en general) permitir que un grupo de personas no expertas y motivadas abordara un problema real de salud humana? Los miembros de nuestro equipo de investigación en ciencias de la vida se propusieron responder esto, primero mediante una lluvia de ideas con Claude. Llegamos a pedir la ayuda de Claude para diseñar nuevos fijadores de proteínas contra neurotoxinas de escorpión, con la esperanza de que algún día pudieran usarse para desarrollar un antiveneno contra el escorpión.
Los escorpiones pican a 1.2 millones de personas o más cada año, lo que provoca más de 3,250 muertes, principalmente entre niños en partes del mundo con acceso limitado a la atención médica. Los tratamientos nuevos son costosos de fabricar y también es improbable que recuperen el costo de su desarrollo. Con tan poca inversión, el envenenamiento por escorpión ha sido descrito como una enfermedad tropical desatendida.
Comenzamos dándole a Claude el mismo prompt que usamos en nuestro estudio anterior de fijadores de proteínas, tras modificarlo con Citrini.1 Durante las siguientes 64 horas, un modelo de investigación interno, operando dentro de Claude Science, trabajó principalmente de manera autónoma, aunque dirigimos su trabajo con cuatro indicaciones de seguimiento. Bajo nuestra supervisión, Claude analizó los datos de investigación, generó las figuras y redactó el informe final.
La campaña de diseño de Claude produjo 17 fijadores de proteínas que cada uno se une a una de las cuatro neurotoxinas de escorpión que se sabe son peligrosas para los humanos. A lo largo del proceso, Claude generó 318,484 diseños de proteínas y seleccionó 180 de ellos para pruebas. Nuestro equipo añadió 31 más, con la ayuda de Claude. Nuestros socios de Adaptyv Bio y Twist Bioscience, dos organizaciones de investigación por contrato (CRO), probaron en laboratorio los 211 diseños para ver si se unían a las toxinas contra las que fueron diseñados, y 17 diseños cumplieron nuestros criterios de fijador. No hemos confirmado si estos fijadores neutralizan el veneno de escorpión en un entorno celular, por lo que no afirmamos haber producido un antiveneno.
Enviamos el trabajo de Claude a dos expertos externos, Susana Vázquez Torres y Timothy P. Jenkins, quienes dijeron que consideraban que este trabajo era un primer paso prometedor. Si la IA ahora puede diseñar fijadores creíbles contra varias toxinas difíciles de atacar en días y estos pueden confirmarse en el laboratorio en semanas, esto podría, en teoría, acelerar el descubrimiento de tratamientos para el envenenamiento y otras enfermedades desatendidas. El desafío, como siempre, es convertir esos fijadores en fármacos seguros, asequibles y ampliamente accesibles.
Compartimos más detalles en nuestro informe técnico, y estamos poniendo a disposición los 211 diseños y sus datos.
Diseñar un fijador contra casi cualquier objetivo ya no parece irreal. Ahora podemos obtener fijadores de unión muy estrecha de manera notablemente rápida, y la unión en sí ya no es el principal cuello de botella. Para animales venenosos como serpientes y escorpiones, cuyas mordeduras y picaduras matan o hieren gravemente a un gran número de personas, particularmente en regiones desatendidas, el impacto real vendrá de abordar las partes del proceso terapéutico que van más allá de la unión. El desafío es usar estas herramientas extraordinarias para desarrollar moléculas que puedan convertirse en fármacos reales, que sean seguros, asequibles y ampliamente accesibles.
Susana Vázquez Torres, investigadora posdoctoral, Programa de Biología Estructural, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), Madrid, España.
Diseño de de novo fijadores contra cinco toxinas de cuatro especies de escorpiones
El veneno de escorpión contiene múltiples neurotoxinas de proteínas. Las neurotoxinas con mayor probabilidad de dañar o matar a humanos se unen a canales de sodio, grandes proteínas incrustadas en las membranas de las células nerviosas que les permiten disparar. Cuando los canales de sodio se alteran, los nervios disparan en el momento equivocado; esto libera grandes cantidades de químicos de estrés, como la adrenalina. En casos graves, esto puede causar insuficiencia cardíaca y acumulación excesiva de líquido en los pulmones, ocasionando en ocasiones la muerte.
Existen algunos antivenenos para las picaduras de escorpión. Generalmente se fabrican utilizando los anticuerpos de animales inmunizados, un proceso que puede tardar meses. El veneno se extrae de miles de escorpiones y se usa para inmunizar caballos; luego los científicos purifican los anticuerpos resultantes de la sangre de los caballos. Los antivenenos tradicionales pueden funcionar cuando se administran temprano, pero suelen ser eficaces solo contra un pequeño número de neurotoxinas. También son costosos de producir y, en muchas regiones, resultan caros o escasos.
De novo design ofrece una posible solución. Un binder (molécula de unión) es una molécula que se adhiere firmemente a un objetivo específico; los anticuerpos son un ejemplo natural. En principio, un binder dirigido a la parte de la neurotoxina que se engancha a los canales de sodio podría impedir que la toxina llegue al canal. En el de novo design, los protein binders se generan desde cero contra un objetivo específico. Estos binders se diseñan computacionalmente y pueden optimizarse para propiedades farmacológicas como la potencia y la estabilidad, lo que podría facilitar su suministro en las regiones donde las picaduras ocurren con mayor frecuencia.
Nuestro enfoque se inspiró en un esfuerzo anterior que diseñó de novo proteínas que neutralizaban neurotoxinas de serpiente y protegían a ratones. Hasta donde sabemos, no se ha descrito ningún binder diseñado de novocontra neurotoxinas de escorpión.
Para esta campaña, elegimos como objetivo cinco neurotoxinas de veneno de escorpión de cuatro regiones: México (Cn2), Brasil (Ts1), África del Norte (AaH I y AaH II) y Medio Oriente (LqhIII). También decidimos dirigir los diseños al sitio de unión al canal de cada toxina. Claude eligió las estructuras de toxinas que se usarían para el diseño buscando en el Protein Data Bank (PDB) así como en la base de datos AlphaFold (AFDB). Para cada toxina, seleccionó cinco hotspots, posiciones específicas de aminoácidos en la toxina a las que sus diseños de binders debían adherirse.
Nos preguntábamos principalmente si Claude podía diseñar binders contra toxinas individuales . Pero también teníamos curiosidad por saber si Claude podía diseñar binders dirigidos a múltiples toxinas. Hay una razón práctica para intentar diseñar binders multitoxina, a saber, que reduciría el número de moléculas necesarias para un cóctel antiveneno universal, que sería el tratamiento más rentable y neutro a nivel regional. Seleccionamos estas cinco toxinas de escorpión (Cn2, Ts1, AaH I, AaH II y LqhIII) como una prueba exigente del diseño multitoxina: comparten un plegamiento para la forma general de la proteína, pero dos cualesquiera son solo entre un 26% y un 62% idénticas en sus secuencias de aminoácidos.
Para ver hasta dónde podía llegar Claude, le pedimos que diseñara cuatro tipos de binders: binders contra cada una de las cinco toxinas individualmente; binders dirigidos a las toxinas de la familia β, Ts1 y Cn2; binders dirigidos a las toxinas de la familia α, AaH II, AaH I y LqhIII; y binders dirigidos a las cinco toxinas simultáneamente.
Diseñar binders creíbles contra cinco toxinas en paralelo, en cuestión de días, es una gran muestra del cambio de paradigma impulsado por la IA que estamos viendo en el descubrimiento terapéutico. Esto es especialmente cierto para las enfermedades desatendidas como los envenenamientos por animales, que han sido en gran medida privados de innovación debido a los bajos incentivos comerciales. Poder abordar de manera agéntica el espacio de objetivos excepcionalmente amplio de las toxinas animales proporciona una aceleración significativa en el descubrimiento y acerca soluciones terapéuticas realistas.
Timothy P. Jenkins, Profesor Asociado, Universidad Técnica de Dinamarca.
Claude llevó a cabo la campaña de diseño con considerable autonomía
Nuestro mensaje inicial definía las neurotoxinas objetivo, las herramientas de diseño y plegamiento de proteínas, y las reglas de novedad, puntuación y filtrado. Más allá de elegir las estructuras y los hotspots de aminoácidos, Claude también estableció los umbrales de calidad que un diseño debía superar, decidió cuánto apoyarse en cada herramienta de diseño disponible y desarrolló las estrategias para diseñar binders contra múltiples toxinas.
Finalmente, Claude utilizó 12 herramientas de diseño para generar 318,484 diseños, descartando los que se parecían a una toxina o a una proteína conocida. Claude co-plegó y evaluó 553,052 pares diseño-toxina, prediciendo la estructura de cada par como un único complejo. Sesenta y cuatro horas después de que le dimos a Claude nuestro mensaje inicial, produjo su lista final de 180 diseños. La campaña utilizó del orden de 10,000 horas de GPU.2
Claude trabajó de forma autónoma durante 24 horas tras nuestro primer mensaje. Sus resultados nos animaron a pedirle a Claude que continuara su campaña y buscara mejores diseños. Nuestros mensajes de seguimiento se centraron principalmente en dirigir a Claude a diseñar un binder multitoxina. Claude seleccionó la mayoría de los 180 diseños, incluido nuestro binder más potente (Cn2-B1), solo después de nuestro tercer seguimiento. A nuestra solicitud, Claude envió las secuencias de proteínas a Twist Bioscience (en correos electrónicos que indicaban que habían sido escritos por Claude), que produjo las proteínas para ver qué tan bien se unirían a las toxinas. Más tarde trabajamos con Claude para añadir otros 31 diseños, aumentando el total a 211 diseños: 60 diseños contra una sola toxina (12 por toxina), 30 diseños contra las dos toxinas de la familia β, 30 diseños contra las tres toxinas de la familia α y 91 diseños contra las cinco toxinas.
De los 211 diseños que nuestros equipos evaluaron, 17 cumplieron nuestros criterios de unionista (binder), cada uno frente a una única toxina. Ninguno de los diseños hechos frente a múltiples toxinas cumplió nuestros criterios para más de una. (Además de estar limitado por sus capacidades actuales, podría haber muchas explicaciones de por qué Claude tuvo dificultades con esto, incluida nuestra generación de prompts, las limitaciones de las herramientas de diseño disponibles e incluso la factibilidad biológica del diseño multitoxina.) Siete diseños eran unionistas frente a Cn2, cuatro frente a AaH II, cuatro frente a AaH I y dos frente a LqhIII. Entre los 60 diseños de una sola toxina, 11 eran unionistas (18%). Esta tasa es consistente con las campañas típicas de diseño de proteínas, incluido nuestro trabajo anterior.
Poniendo a prueba los diseños de Claude en el laboratorio
Tras completar la campaña, enviamos los diseños a Adaptyv Bio y Twist Bioscience para probar su unión. Cada grupo produjo los diseños en sus laboratorios, pero en formatos diferentes. Adaptyv Bio los expresó en un sistema libre de células, que utiliza maquinaria de fabricación de proteínas extraída de bacterias en lugar de células vivas. Twist Bioscience expresó los diseños en células de mamífero (en este caso, células de riñón humano) como fusiones con Fc, el tallo de un anticuerpo. Estas son formas complementarias de medir el proceso de unión subyacente, y las combinamos para aumentar la confianza en nuestros resultados.
Ambos laboratorios midieron la unión mediante resonancia de plasmones superficiales (SPR), en la cual una toxina fluye sobre el diseño mientras el instrumento SPR rastrea en tiempo real la rapidez con la que una toxina se une a él y se desprende de él. El trazado resultante, llamado senograma, produce una medición conocida como la constante de disociación (KD), que es una medición de la fuerza de unión (o afinidad). Cuanto más baja la KD, más estrecha la unión.
Al momento de evaluar los diseños resultantes, establecimos criterios estrictos para etiquetar un diseño como unionista frente a una toxina. El diseño debía ser un hit en ambos laboratorios3—es decir, debía mostrar evidencia de unión contra esa toxina en cada réplica, y cada KD debía ser de 1 µM o más estrecha. También exigimos que el diseño no mostrara señal contra CLEC12A, una proteína humana no relacionada que se usa para medir la unión fuera de objetivo o “pegajosidad”.
Los unionistas de Cn2 de Claude probablemente se unen al mismo sitio que un anticuerpo neutralizante de toxinas
Los anticuerpos y los nanocuerpos siguen siendo el estándar que los diseños de novo deben superar. Tres moléculas de este tipo tienen afinidades reportadas (KD) por debajo de 1 nM (nanomolar) frente a Cn2 o AaH II, y se ha demostrado que protegen a ratones de las toxinas de escorpión.
Nuestros dos unionistas más fuertes, que llamamos Cn2-B1 y Cn2-B2, se dirigen contra Cn2, una neurotoxina del escorpión mexicano Centruroides noxius. Cada uno se unió firmemente a Cn2 tanto en Adaptyv Bio como en Twist Bioscience, con afinidades (KD) en el rango de un solo dígito nanomolar.
Una forma de averiguar si dos moléculas (p. ej., un anticuerpo y una miniproteína) se unen al mismo sitio en un objetivo es mediante un experimento de competencia, que prueba si ambos unionistas pueden adherirse al objetivo al mismo tiempo. Si la presencia de una molécula reduce la unión de la otra molécula, entonces probablemente compitan por el mismo sitio de unión.
Nuestros experimentos de competencia sugieren que cada uno de nuestros unionistas de Cn2 se adhiere en el mismo epitopo (sitio de unión) o cerca de él que un anticuerpo llamado LR, que se ha reportado que neutraliza Cn2 en ratones. El sitio de unión de LR cubre la parte de Cn2 que se adhiere al canal de sodio y hace que los nervios funcionen mal. No hemos probado nuestros mejores ligandos, Cn2-B1 y Cn2-B2, en un entorno celular ni en animales vivos, pero el hecho de que compitan con LR sugiere que probablemente neutralizarán Cn2.
Un ligando es solo el primer paso para desarrollar un antiveneno
Nuestros resultados muestran unión únicamente contra toxinas recombinantes, que se producen en el laboratorio a partir del gen de cada toxina en lugar de purificarse del veneno. Las dos mayores limitaciones de este estudio son que no probamos ningún diseño para su neutralización in vitro (contra células cultivadas en el laboratorio) ni para su eficacia in vivo (en animales vivos, como ratones).
Si avanzáramos con un diseño hacia una terapia, Cn2-B1 sería uno de nuestros candidatos más fuertes. Primero, sin embargo, necesitaríamos confirmar que el diseño también se une a la toxina purificada del veneno. Luego lo evaluaríamos funcionalmente in vitro con registros de patch-clamp (que pueden medir la corriente eléctrica que pasa por los canales de sodio) para ver si impide que la toxina actúe sobre el canal. Después, necesitaríamos probar el ligando en ratones para ver si realmente los protege. Más allá de neutralizar la toxina, un tratamiento también debe ser seguro, estable, asequible y estar disponible donde ocurren los picaduras. Llevarlo a los pacientes también requerirá la cooperación de médicos, financiadores y responsables políticos.
Estamos publicando los 211 diseños y sus datos de unión para que otros investigadores puedan construir sobre nuestro trabajo. Esperamos que esta demostración de las capacidades de Claude, junto con los datos que estamos publicando, ayude a acelerar la investigación futura sobre el diseño de antivenenos.
Lecturas adicionales
Los siguientes recursos ofrecen mayor profundidad técnica e información más detallada sobre los resultados descritos anteriormente:
- Informe técnico;
- Publicación de datos: los 211 diseños, sus estructuras predichas y puntuaciones, y datos experimentales;
- Nuestras publicaciones anteriores sobre diseño de proteínas y la mejora del modelado biomolecular.
Notas al pie
01Citrini ha escrito un artículo sobre nuestra colaboración, aquí.
02Somos conscientes de que esto es mucho más de lo que la mayoría de los investigadores tiene a su alcance. Por separado, hemos logrado que estos modelos sean en promedio unas 4 veces más rápidos, y hemos demostrado que un prompt simplificado con un solo agente y una sola GPU durante 24 horas alcanza puntuaciones in silico comparables.