Résumé : Dans le cadre de nos travaux explorant comment Claude peut contribuer à accélérer la découverte de médicaments, nous avons demandé à un modèle de recherche interne de concevoir des minibinders (de petites protéines qui se fixent étroitement à une cible) contre des neurotoxines de scorpion. Claude a travaillé à partir de notre prompt et de quatre relances, que nous avons élaborées en collaboration avec la société de recherche en investissement financier Citrini Research. Les équipes d'Adaptyv Bio et de Twist Bioscience ont testé expérimentalement la liaison de 211 conceptions. Parmi celles-ci, 17 ont répondu à nos critères. Nous publions l'ensemble des 211 conceptions et de leurs données en tant que ressource pour le domaine.
En août, nous avons montré comment Claude a conçu des minibinders protéiques après avoir reçu un seul prompt. Un mois avant la publication de ces résultats, une équipe de Citrini Research nous avait abordés avec une question intéressante : Claude (et la découverte de médicaments par IA plus généralement) pourrait-il permettre à un groupe de non-experts motivés de s'attaquer à un véritable problème de santé humaine ? Les membres de notre équipe de recherche en sciences du vivant se sont attachés à y répondre, d'abord en réfléchissant à des problèmes avec Claude. Nous avons choisi de demander l'aide de Claude pour concevoir de nouveaux lieurs protéiques contre des neurotoxines de scorpion, dans l'espoir qu'ils puissent un jour servir à développer un antivenin contre les scorpions.
Les scorpions piquent 1.2 million de personnes ou plus chaque année, provoquant plus de 3,250 décès, principalement parmi les enfants dans des régions du monde où l'accès aux soins médicaux est limité. Les nouveaux traitements sont coûteux à produire et ont peu de chances de rentabiliser leur coût de développement. Avec si peu d'investissements, l'envenimation scorpionique a été décrite comme une maladie tropicale négligée.
Nous avons commencé en donnant à Claude le même prompt que celui utilisé dans notre précédente étude sur les lieurs protéiques, après l'avoir modifié avec Citrini.1 Au cours des 64 heures suivantes, un modèle de recherche interne, opérant au sein de Claude Science, a travaillé principalement de manière autonome, bien que nous ayons dirigé son travail avec quatre relances. Sous notre supervision, Claude a analysé les données de recherche, généré les figures et rédigé le rapport final.
La campagne de conception de Claude a produit 17 lieurs protéiques qui se lient chacun à l'une des quatre neurotoxines de scorpion connues pour être dangereuses pour l'humain. Tout au long du processus, Claude a généré 318,484 conceptions protéiques et en a sélectionné 180 pour les tester. Notre équipe en a ajouté 31 autres, avec l'aide de Claude. Nos partenaires d'Adaptyv Bio et de Twist Bioscience, deux organisations de recherche sous contrat (CRO), ont testé en laboratoire les 211 conceptions afin de déterminer si elles se lieraient aux toxines contre lesquelles elles avaient été conçues, et 17 conceptions ont répondu à nos critères de lieur. Nous n'avons pas confirmé si ces lieurs neutralisent le venin de scorpion dans un environnement cellulaire ; nous ne prétendons donc pas avoir produit un antivenin.
Nous avons envoyé le travail de Claude à deux experts externes, Susana Vázquez Torres et Timothy P. Jenkins, qui ont déclaré trouver ce travail prometteur comme première étape. Si l'IA peut désormais concevoir des lieurs crédibles contre plusieurs toxines difficiles à cibler en quelques jours et qu'ils peuvent être confirmés en laboratoire en quelques semaines, cela pourrait, en théorie, accélérer la découverte de traitements contre les envenimations et d'autres maladies négligées. Le défi, comme toujours, est de transformer ces lieurs en médicaments sûrs, abordables et largement accessibles.
Nous détaillons davantage notre rapport techniqueet mettons à disposition les 211 conceptions et leurs données.
Concevoir un lieur contre presque n'importe quelle cible ne semble plus irréaliste. Nous pouvons désormais obtenir des lieurs très étroits remarquablement rapidement, et la liaison elle-même n'est plus le principal goulot d'étranglement. Pour les animaux venimeux tels que les serpents et les scorpions, dont les morsures et les piqûres tuent ou blessent gravement un grand nombre de personnes, particulièrement dans les régions mal desservies, l'impact réel viendra de la prise en charge des étapes du pipeline thérapeutique qui vont au-delà de la liaison. Le défi consiste à utiliser ces outils extraordinaires pour développer des molécules capables de devenir de véritables médicaments, sûrs, abordables et largement accessibles.
Susana Vázquez Torres, chercheuse postdoctorale, Programme de biologie structurale, Centre national espagnol de recherche sur le cancer (CNIO), Madrid, Espagne.
Concevoir de novo des lieurs contre cinq toxines provenant de quatre espèces de scorpions
Le venin de scorpion contient plusieurs neurotoxines protéiques. Les neurotoxines les plus susceptibles de nuire aux humains ou de les tuer se fixent sur les canaux sodiques, de grandes protéines incrustées dans les membranes des cellules nerveuses qui leur permettent de décharger des influx. Lorsque les canaux sodiques sont perturbés, les nerfs se déchargent au mauvais moment — cela libère de grandes quantités de produits chimiques de stress, comme l'adrénaline. Dans les cas graves, cela peut provoquer une insuffisance cardiaque et une accumulation excessive de liquide dans les poumons, entraînant parfois la mort.
Il existe certains antivenins contre les piqûres de scorpion. Ils sont généralement fabriqués à partir des anticorps d'animaux immunisés, un processus qui peut prendre des mois. Le venin est prélevé sur des milliers de scorpions et utilisé pour immuniser des chevaux ; les scientifiques purifient ensuite les anticorps obtenus à partir du sang des chevaux. Les antivenins traditionnels peuvent fonctionner lorsqu'ils sont administrés tôt, mais ils ne sont généralement efficaces que contre un petit nombre de neurotoxines. Ils sont également coûteux à produire et, dans de nombreuses régions, chers ou en pénurie.
De novo offre une solution potentielle. Un ligand est une molécule qui se fixe étroitement à une cible spécifique ; les anticorps en sont un exemple naturel. En principe, un ligand ciblant la partie d'une neurotoxine qui s'accroche aux canaux sodiques pourrait empêcher la toxine d'atteindre le canal. En de novo conception, des lieurs protéiques sont générés de toutes pièces contre une cible spécifique. Ces lieurs sont conçus par calcul et peuvent être optimisés pour des propriétés médicamenteuses telles que la puissance et la stabilité, ce qui pourrait faciliter leur approvisionnement dans les régions où les piqûres surviennent le plus souvent.
Notre approche s'est inspirée d' un effort antérieur qui avait conçu des protéines de novo neutralisant des neurotoxines de serpent et protégeant des souris. À notre connaissance, aucun lieur conçu de novocontre des neurotoxines de scorpion n'a été décrit.
Pour cette campagne, nous avons choisi de cibler cinq neurotoxines de venin de scorpion réparties dans quatre régions : le Mexique (Cn2), le Brésil (Ts1), l'Afrique du Nord (AaH I et AaH II) et le Moyen-Orient (LqhIII). Nous avons également choisi de diriger les conceptions vers le site de liaison au canal de chaque toxine. Claude a sélectionné les structures de toxines à utiliser pour la conception en interrogeant la Protein Data Bank (PDB) ainsi que la base de données AlphaFold (AFDB). Pour chaque toxine, il a sélectionné cinq points chauds, c'est-à-dire des positions spécifiques d'acides aminés sur la toxine auxquelles ses conceptions de lieurs devaient se fixer.
Nous nous demandions principalement si Claude pouvait concevoir des lieurs contre des toxines individuelles . Mais nous étions aussi curieux de savoir si Claude pouvait concevoir des lieurs ciblant plusieurs toxines. Il existe une raison pratique à la conception de lieurs multitoxines, à savoir que cela réduirait le nombre de molécules nécessaires pour un cocktail d'antivenin universel — ce qui constituerait le traitement le plus rentable et le plus neutre sur le plan régional. Nous avons sélectionné ces cinq toxines de scorpion (Cn2, Ts1, AaH I, AaH II et LqhIII) comme un test exigeant de conception multitoxines : elles partagent un même repli pour la forme générale de la protéine, mais deux quelconques d'entre elles ne sont identiques qu'à hauteur de 26 % à 62 % dans leurs séquences d'acides aminés.
Pour voir jusqu'où Claude pouvait aller, nous lui avons demandé de concevoir quatre types de lieurs : des lieurs contre chacune des cinq toxines individuellement ; des lieurs ciblant les toxines de la famille β, Ts1 et Cn2 ; des lieurs ciblant les toxines de la famille α, AaH II, AaH I et LqhIII ; et des lieurs ciblant les cinq toxines simultanément.
Concevoir des lieurs crédibles contre cinq toxines en parallèle, en quelques jours, est une belle démonstration du changement de paradigme porté par l'IA que nous observons dans la découverte thérapeutique. C'est particulièrement vrai pour les maladies négligées telles que les envenimations animales, qui ont été largement privées d'innovation en raison de faibles incitations commerciales. Être capable de s'attaquer de manière agentique à l'espace de cibles exceptionnellement large des toxines animales apporte une accélération significative de la découverte et rapproche des solutions thérapeutiques réalistes.
Timothy P. Jenkins, professeur associé, Université technique du Danemark.
Claude a mené la campagne de conception avec une autonomie considérable
Notre invite initiale définissait les cibles neurotoxiques, les outils de conception et de repliement des protéines, ainsi que les règles de nouveauté, de notation et de filtrage. Au-delà du choix des structures et des points chauds d'acides aminés, Claude a également fixé les seuils de qualité qu'une conception devait atteindre, décidé du poids à accorder à chaque outil de conception disponible et élaboré les stratégies pour concevoir des lieurs contre plusieurs toxines.
Au final, Claude a utilisé 12 outils de conception pour générer 318,484 conceptions, en écartant toute conception ressemblant à une toxine ou à une protéine connue. Claude a co-replié et filtré 553,052 paires conception-toxine, en prédisant la structure de chaque paire sous forme d'un seul complexe. Soixante-quatre heures après notre invite initiale, il a produit sa liste finale de 180 conceptions. La campagne a utilisé de l'ordre de 10,000 heures de GPU.2
Claude a travaillé de manière autonome pendant 24 heures après notre première invite. Ses résultats nous ont encouragés à inviter Claude à poursuivre sa campagne et à rechercher de meilleures conceptions. Nos invites de suivi visaient principalement à orienter Claude vers la conception d'un lieur multitoxines. Claude a sélectionné la plupart des 180 conceptions — y compris notre lieur le plus puissant (Cn2-B1) — seulement après notre troisième suivi. À notre demande, Claude a envoyé les séquences protéiques à Twist Bioscience (dans des courriels indiquant qu'ils étaient rédigés par Claude), qui a produit les protéines afin de voir à quel point elles se lieraient aux toxines. Nous avons ensuite travaillé avec Claude pour ajouter 31 conceptions supplémentaires, portant le total à 211 conceptions : 60 conceptions contre une seule toxine (12 par toxine), 30 conceptions contre les deux toxines de la famille β, 30 conceptions contre les trois toxines de la famille α, et 91 conceptions contre les cinq toxines.
Sur les 211 conceptions évaluées par nos équipes, 17 répondaient à nos critères pour un binder, chacun contre une seule toxine. Aucune des conceptions réalisées contre plusieurs toxines ne répondait à nos critères pour plus d'une seule. (Au-delà des limites de ses capacités actuelles, de nombreuses explications pourraient rendre compte des difficultés de Claude sur ce point, notamment notre prompt, les limites des outils de conception disponibles, et même la faisabilité biologique d'une conception multitoxines.) Sept conceptions étaient des binders contre Cn2, quatre contre AaH II, quatre contre AaH I et deux contre LqhIII. Parmi les 60 conceptions mono-toxines, 11 étaient des binders (18 %). Ce taux est cohérent avec les campagnes de conception de protéines typiques, y compris nos travaux antérieurs.
Tester les conceptions de Claude en laboratoire
Après avoir achevé la campagne, nous avons envoyé les conceptions à Adaptyv Bio et à Twist Bioscience pour tester leur liaison. Chaque groupe a produit les conceptions dans ses laboratoires, mais sous des formats différents. Adaptyv Bio les a exprimées dans un système sans cellule, qui utilise la machinerie de synthèse des protéines extraite de bactéries plutôt que des cellules vivantes. Twist Bioscience a exprimé les conceptions dans des cellules de mammifères (en l'occurrence, des cellules rénales humaines) sous forme de fusions avec Fc, la tige d'un anticorps. Ce sont des méthodes complémentaires pour mesurer le processus de liaison sous-jacent, et nous les avons combinées afin d'accroître la fiabilité de nos résultats.
Les deux laboratoires ont mesuré la liaison par résonance plasmonique de surface (SPR), méthode dans laquelle une toxine s'écoule sur la conception tandis que l'instrument SPR suit en temps réel la vitesse à laquelle la toxine s'y lie et s'en détache. Le tracé obtenu, appelé sensogramme, produit une mesure appelée constante de dissociation (KD), qui mesure la force de liaison (ou affinité). Plus la KD est basse, plus la liaison est forte.
Pour évaluer les conceptions obtenues, nous avons fixé des critères stricts pour qualifier une conception de binder contre une toxine. La conception devait être un succès dans les deux laboratoires3, c'est-à-dire qu'elle devait présenter des preuves de liaison contre cette toxine dans chaque réplicat, et chaque KD devait être de 1 µM ou plus faible. Nous exigeions également que la conception ne présente aucun signal contre CLEC12A, une protéine humaine sans rapport utilisée pour mesurer la liaison hors cible ou le caractère « collant ».
Les binders de Cn2 de Claude se lient probablement au même site qu'un anticorps neutralisant la toxine
Les anticorps et les nanocorps restent la référence que les conceptions de novo doivent surpasser. Trois de ces molécules présentent des affinités rapportées (KD) inférieures à 1 nM (nanomolaire) contre Cn2 ou AaH II, et il a été démontré qu'elles protègent les souris des toxines de scorpion.
Nos deux binders les plus puissants, que nous appelons Cn2-B1 et Cn2-B2, ciblent Cn2, une neurotoxine du scorpion mexicain Centruroides noxius. Tous deux se sont liés étroitement à Cn2 chez Adaptyv Bio et Twist Bioscience, avec des affinités (KD) de l'ordre de quelques nanomoles.
Une façon de déterminer si deux molécules (par exemple, un anticorps et une miniprotéine) se lient au même site d'une cible est de réaliser une expérience de compétition, qui teste si les deux binders peuvent se fixer simultanément sur la cible. Si la présence d'une molécule réduit la liaison de l'autre molécule, il est probable qu'elles se disputent le même site de liaison.
Nos expériences de compétition suggèrent que chacun de nos binders de Cn2 se fixe sur ou près du même épitope (site de liaison) qu'un anticorps appelé LR, qui a été signalé comme capable de neutraliser Cn2 chez la souris. Le site de liaison de LR couvre la partie de Cn2 qui se fixe au canal sodique et provoque des dysfonctionnements nerveux. Nous n'avons pas testé nos meilleurs lieurs, Cn2-B1 et Cn2-B2, dans un environnement cellulaire ou chez des animaux vivants, mais le fait qu'ils entrent en compétition avec LR suggère qu'ils neutraliseront probablement Cn2.
Un liant n'est que la première étape pour développer un antivenin
Nos résultats montrent une liaison uniquement contre recombinant les toxines, qui sont cultivées en laboratoire à partir du gène de chaque toxine plutôt que purifiées à partir du venin. Les deux principales limites de cette étude sont que nous n'avons testé aucun design pour la neutralisation in vitro (contre des cellules cultivées en laboratoire) ou pour l’efficacité in vivo (chez des animaux vivants, comme des souris).
Si nous devions faire avancer un design vers une thérapie, Cn2-B1 serait l'un de nos candidats les plus solides. Mais d'abord, nous devrions confirmer que le design se lie également à la toxine purifiée à partir du venin. Nous l'évaluerions ensuite fonctionnellement in vitro avec des enregistrements par patch-clamp (qui permettent de mesurer le courant électrique traversant les canaux sodiques) pour voir s'il empêche la toxine d'agir sur le canal. Ensuite, nous devrions tester le binder chez des souris pour vérifier qu'il les protège réellement. Au-delà de la neutralisation de la toxine, un traitement doit aussi être sûr, stable, abordable et disponible là où les piqûres surviennent. Parvenir jusqu'aux patients nécessitera également la coopération des cliniciens, des bailleurs de fonds et des décideurs politiques.
Nous publions les 211 designs et leurs données de liaison afin que d'autres chercheurs puissent s'appuyer sur notre travail. Nous espérons que cette démonstration des capacités de Claude, ainsi que les données que nous publions, aideront à accélérer les recherches supplémentaires sur la conception d'antivenins.
Pour aller plus loin
Les ressources suivantes offrent une profondeur technique supplémentaire et des informations plus détaillées sur les résultats décrits ci-dessus :
- Rapport technique;
- Publication des données : les 211 designs, leurs structures prédites et leurs scores, ainsi que les données expérimentales;
- Nos précédents articles sur la conception de protéines et l'amélioration de la modélisation biomoléculaire.
Notes de bas de page
01Citrini a écrit un article sur notre collaboration, ici.
02Nous sommes conscients que cela dépasse largement ce à quoi la plupart des chercheurs ont accès. Par ailleurs, nous avons rendu ces modèles environ 4x plus rapides en moyenne, et montré qu'un prompt simplifié utilisant un seul agent et un seul GPU pendant 24 heures atteint des scores in silico comparables.