요약: Claude가 신약 개발을 가속화하는 데 어떻게 도움을 줄 수 있는지 실험하는 작업의 일환으로, 사내 연구 모델에게 다음을 설계하도록 요청했습니다. minibinders (표적에 단단히 결합하는 작은 단백질)을 전갈 신경독에 대항해 설계했습니다. Claude는 저희 프롬프트와, 금융 투자 리서치 회사인 Citrini Research와 협력하여 개발한 4개의 후속 프롬프트를 바탕으로 작업했습니다. Adaptyv Bio와 Twist Bioscience 팀이 211개의 설계를 결합 실험으로 테스트했으며, 이 중 17개가 저희 기준을 충족했습니다. 저희는 211개 설계 전체와 그 데이터를 해당 분야의 자원으로 공개합니다.
8월에 우리는 보여드렸습니다 Claude가 단백질 미니바인더(minibinder)를 설계한 방법 단 하나의 프롬프트가 주어진 후에. 우리가 그 결과를 발표하기 한 달 전, 다음으로부터의 팀이 Citrini Research 우리에게 흥미로운 질문을 가져왔습니다: Claude(그리고 보다 일반적으로 AI 기반 신약 개발)가 의욕에 넘치는 비전문가 그룹이 인간 건강의 실제 문제를 해결할 수 있게 해줄 수 있을까? 우리 생명과학 연구팀은 먼저 Claude와 함께 문제를 브레인스토밍하며 이에 대한 답을 찾기 시작했습니다. 우리는 전갈 신경독에 대한 새로운 단백질 결합체 설계에 Claude의 도움을 요청하기로 했고, 이것이 언젠가 전갈 항독제 개발에 사용될 수 있기를 희망했습니다.
전갈에게 쏘여 매년 120만 명 이상이 피해를 입고 있으며, 그로 인해 3,250명 이상이 사망하는데, 대부분 의료 접근이 제한적인 지역의 아동들입니다. 새로운 치료법은 제조 비용이 비쌀 뿐만 아니라 개발 비용을 회수하기도 어려울 것으로 보입니다. 투자가 너무 적다 보니 전갈 독에 물린 사고는 지금까지 ~라고 묘사된 방치된 열대질환입니다.
우리는 먼저 Citrini와 함께 수정한 후, 이전 단백질 결합제 연구에서 사용했던 것과 동일한 프롬프트를 Claude에 입력하는 것으로 시작했습니다.1 이후 64시간 동안 Claude Science 내에서 운영된 내부 연구 모델이 주로 자율적으로 작업했으며, 우리는 네 번의 후속 지시로 작업 방향을 조정했습니다. 우리의 감독 하에 Claude는 연구 데이터를 분석하고, 그림을 생성하고, 최종 보고서 초안을 작성했습니다.
Claude의 설계 캠페인은 인간에게 위험한 것으로 알려진 네 종류의 전갈 신경독 각각에 결합하는 17개의 단백질 결합제를 만들어냈습니다. 이 과정 전반에서 Claude는 총 318,484개의 단백질 설계를 생성하고 그중 테스트용으로 180개를 선정했습니다. 우리 팀은 Claude의 도움을 받아 31개를 추가했습니다. 계약연구기관(CRO)인 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience의 파트너들이 211개 설계 전부를 실험실에서 테스트하여 설계 대상 독소에 결합하는지 확인했으며, 17개 설계가 결합제 기준을 충족했습니다. 우리는 이 결합제들이 세포 환경에서 전갈 독을 중화하는지는 확인하지 못했으므로, 항독소 치료제를 만들어냈다고 주장하지는 않습니다.
우리는 Claude의 작업을 두 명의 외부 전문가인 Susana Vázquez Torres와 Timothy P. Jenkins에게 보냈으며, 두 사람은 이 작업이 유망한 첫걸음이라고 말했습니다. 이제 AI가 며칠 만에 여러 표적하기 어려운 독소에 대한 신뢰할 만한 결합제를 설계하고, 몇 주 안에 실험실에서 이를 검증할 수 있다면, 이론적으로는 독독애(envenomation) 및 기타 방치된 질환에 대한 연구 속도를 높일 수 있습니다. 늘 그렇듯이, 과제는 이러한 결합제를 안전하고 저렴하며 폭넓게 접근 가능한 약물로 전환하는 것입니다.
우리는 기술 보고서에서 더 자세한 내용을 공유하고 있으며, 211개 설계 전체와 그 데이터를 공개하고 있습니다..
거의 모든 표적에 대한 결합제를 설계하는 일이 더 이상 비현실적으로 보이지 않습니다. 이제 매우 강한 결합력을 지닌 결합제를 놀라울 정도로 빠르게 얻을 수 있으며, 결합 자체는 더 이상 주요 병목이 아닙니다. 특히 의료 자원이 부족한 지역에서 많은 사람을 죽이거나 다치게 하는 뱀과 전갈 같은 독성 동물의 경우, 진정한 영향은 결합을 넘어서는 치료 파이프라인의 나머지 부분을 해결하는 데서 나올 것입니다. 과제는 이러한 놀라운 도구를 활용해 안전하고 저렴하며 폭넓게 접근 가능한, 진정한 약물이 될 수 있는 분자를 개발하는 것입니다.
Susana Vázquez Torres, 스페인 국립암연구센터(CNIO) 구조생물학 프로그램 박사후 연구원, 마드리드, 스페인.
네 종류의 전갈에 나오는 다섯 가지 독소에 대한 신규(de novo) 결합제 설계
전갈 독은 여러 단백질 신경독을 포함하고 있습니다. 인간에게 해를 끼치거나 죽일 가능성이 가장 높은 신경독은 나트륨 채널에 부착되는데, 이는 신경세포의 세포막에 박혀 있어 신경이 발화할 수 있게 하는 큰 단백질입니다. 나트륨 채널에 이상이 생기면 신경이 잘못된 시점에 발화하는데, 이는 아드레날린 같은 스트레스 화학물질을 대량으로 방출시킵니다. 심한 경우 심부전과 폐의 과도한 체액 축적을 일으킬 수 있으며, 때로는 사망에 이르게 합니다.
전갈 독침에 쓸 수 있는 일부 항독제가 존재합니다. 이들은 일반적으로 면역된 동물의 항체를 이용해 만들어지며, 이 과정은 몇 달이 걸릴 수 있습니다. 수천 마리의 전갈에서 독을 채취하여 말을 면역시키는 데 사용하고, 그 후 과학자들은 말의 혈액에서 생성된 항체를 정제합니다. 전통적인 항독제는 초기에 투여하면 효과가 있을 수 있지만, 일반적으로 소수의 신경독에만 효과적입니다. 또한 생산 비용이 많이 들고, 많은 지역에서 비싸거나 공급이 부족합니다.
De novo(새로이, 처음부터) 설계는 잠재적인 해결책을 제시합니다. 결합체(binder)는 특정 표적에 단단히 부착되는 분자로, 항체가 그 대표적인 자연적 예입니다. 원리상 나트륨 채널에 달라붙는 신경독의 부분을 표적으로 하는 결합체는 독이 채널에 도달하는 것을 막을 수 있습니다. In de novo 설계에 있어서, 단백질 결합체는 특정 표적을 상대로 처음부터 생성됩니다. 이러한 결합체는 컴퓨터로 설계되며, 효능과 안정성 같은 의약품 특성에 맞게 최적화될 수 있어, 벌레에 쏘이는 일이 가장 빈번하게 발생하는 지역에서 공급이 더 쉬워질 수 있습니다.
우리의 접근 방식은 다음에서 영감을 받았습니다 이전 시도 그것을 설계한 de novo 뱀 신경독을 중화하고 생쥐를 보호한 단백질들이다. 우리가 아는 한, 어떤 de novo-설계된 결합체가 전갈 신경독에 대해 기술된 바 있습니다.
이번 캠페인에서 우리는 4개 지역의 전갈 독액 신경독소 5종을 표적으로 삼기로 했습니다: 멕시코(Cn2), 브라질(Ts1), 북아프리카(AaH I 및 AaH II), 중동(LqhIII). 또한 각 독소의 채널 결합 부위를 겨냥하도록 설계를 목표로 삼았습니다. Claude는 설계에 사용할 독소 구조를 단백질 데이터 뱅크(Protein Data Bank, PDB)와 AlphaFold 데이터베이스(AFDB)를 검색하여 선정했습니다. 각 독소에 대해 5개를 선택했으며 핫스팟결합제 설계가 결합하도록 의도된 독소의 특정 아미노산 위치입니다.
우리는 주로 Claude가 다음 대상에 대한 결합제를 설계할 수 있는지 궁금했습니다. 개인 독소를 겨냥한 결합체를 설계할 수 있을지도 궁금했습니다. 하지만 우리는 Claude가 표적으로 삼는 결합체를 설계할 수 있는지도 궁금했습니다 복수 독소. 다중 독소 결합제를 설계하려는 데에는 실용적인 이유가 있는데, 바로 보편적인 항독소 칵테일에 필요한 분자 수를 줄일 수 있어 가장 비용 효율적이고 지역 중립적인 치료법이 되기 때문입니다. 우리는 이 다섯 가지 전갈 독소(Cn2, Ts1, AaH I, AaH II, LqhIII)를 다중 독소 설계의 도전적인 시험 대상으로 선택했습니다. 이들은 단백질의 전체적인 형태에 대해 하나의 폴드를 공유하지만, 임의의 두 독소를 비교하면 아미노산 서열상 26%에서 62%까지만 동일합니다.
Claude가 어느 정도까지 갈 수 있는지 알아보기 위해, 우리는 네 가지 종류의 바인더를 설계하도록 요청했습니다: 다섯 독소 각각에 개별적으로 대항하는 바인더; β계열 독소인 Ts1과 Cn2를 표적으로 하는 바인더; α계열 독소인 AaH II, AaH I, LqhIII를 표적으로 하는 바인더; 그리고 다섯 독소를 모두 동시에 표적으로 하는 바인더.
다섯 가지 독소에 대해 며칠 만에 병렬로 신뢰할 수 있는 바인더를 설계한 것은, 치료제 발견 분야에서 우리가 목격하고 있는 AI 주도 패러다임 전환을 보여주는 훌륭한 사례입니다. 이는 상업적 유인이 부족해 혁신이 크게 외면되어 온 동물 독(농후)에 의한 질환과 같은 소외된 질병의 경우에 특히 그렇습니다. 에이전트 방식으로 동물 독소 전반에 걸친 특유의 광범위한 표적 공간을 다룰 수 있게 되면 발견 속도가 크게 빨라지고, 현실적인 치료 솔루션이 한층 가까워집니다.
티모시 P. 제킨스(Timothy P. Jenkins), 덴마크 기술대학교 부교수.
Claude는 상당한 자율성을 가지고 디자인 캠페인을 진행했다
우리의 초기 프롬프트는 신경독 표적, 단백질 설계 및 폴딩 도구, 그리고 신규성, 점수 산정 및 필터링에 관한 규칙을 정의했습니다. 구조와 아미노산 핫스팟을 선택하는 것 외에도, Claude는 설계가 통과해야 할 품질 기준을 설정하고, 사용 가능한 각 설계 도구에 얼마나 의존할지 결정했으며, 여러 독소에 대한 결합체를 설계하기 위한 전략을 개발했습니다.
최종적으로 Claude는 12개의 설계 도구를 사용하여 318,484개의 설계를 생성했으며, 독소나 알려진 단백질과 유사한 설계는 모두 걸러냈습니다. Claude는 553,052쌍의 설계-독소 조합을 공동 폴딩 및 스크리닝하면서 각 조합의 구조를 하나의 복합체로 예측했습니다. 우리가 Claude에 초기 프롬프트를 제공한 지 64시간 후, Claude는 최종적으로 180개의 설계 목록을 산출했습니다. 이 캠페인에는 약 10,000 GPU시간이 사용되었습니다.2
Claude는 첫 번째 프롬프트에 이어 24시간 동안 자율적으로 작업했습니다. 그 결과물을 보고 저희는 Claude에게 캠페인을 계속 진행하며 더 나은 설계를 찾도록 프롬프트를 보냈습니다. 저희의 후속 프롬프트는 주로 Claude가 다중 독소 바인더를 설계하도록 방향을 잡아주는 데 초점이 맞춰져 있었습니다. Claude는 180개 설계 대부분을—가장 강력한 바인더인 Cn2-B1을 포함하여—세 번째 후속 프롬프트 이후에야 선택했습니다. 저희의 요청에 따라 Claude는 단백질 서열을 Twist Bioscience에 보냈고(해당 이메일에서 작성자가 Claude라고 표시됨), Twist Bioscience는 독소에 얼마나 잘 결합하는지 확인하기 위해 해당 단백질을 제작했습니다. 이후 저희는 Claude와 함께 31개의 설계를 추가로 더해 총 211개의 설계를 만들었습니다. 단일 독소에 대한 설계 60개(독소당 12개), 두 개의 β군 독소에 대한 설계 30개, 세 개의 α군 독소에 대한 설계 30개, 그리고 다섯 개 독소 모두에 대한 설계 91개입니다.
우리 팀이 평가한 211개의 설계 중 17개가 바인더 기준을 충족했으며, 각각 단일 독소에 대해서였습니다. 다중 독소를 대상으로 만들어진 설계 중 둘 이상의 독소에 대해 우리 기준을 충족한 것은 없었습니다. (현재 기능의 한계 외에도, Claude가 이 과제에서 어려움을 겪은 데에는 프롬프팅, 사용 가능한 설계 도구의 한계, 그리고 다중 독소 설계의 생물학적 실현 가능성 등 여러 가지 설명이 있을 수 있습니다.) Cn2에 대한 바인더 설계가 7개, AaH II에 대한 것이 4개, AaH I에 대한 것이 4개, LqhIII에 대한 것이 2개였습니다. 60개의 단일 독소 설계 중 11개가 바인더였습니다(18%). 이 비율은 이전 연구를 포함한 전형적인 단백질 설계 캠페인의 결과와 일치합니다.
실험실에서 Claude의 설계 검증
캠페인을 완료한 후, 우리는 결합 여부를 검증하기 위해 설계물을 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience에 보냈습니다. 각 그룹은 자체 실험실에서 설계물을 제작했지만 서로 다른 방식을 사용했습니다. Adaptyv Bio는 cell-free system에서 이들을 발현했는데, 이는 살아있는 세포가 아닌 세균에서 추출한 단백질 합성 기계를 사용하는 방식입니다. Twist Bioscience는 포유류 세포(이 경우 인간 신장 세포)에서 설계물을 항체의 줄기 부분인 Fc와 융합체로 발현했습니다. 이 두 가지는 근본적인 결합 과정을 측정하는 상호 보완적인 방법으로, 우리는 결과에 대한 신뢰도를 높이기 위해 이를 결합하여 사용했습니다.
두 실험실 모두 surface plasmon resonance (SPR)로 결합을 측정했으며, 이 방법에서는 SPR 기기가 독소가 설계물에 결합하고 분리되는 속도를 실시간으로 추적하는 동안 독소가 설계물 위로 흐르게 됩니다. 센서그램이라고 불리는 그 결과 트레이스는 dissociation constant (KD)로 알려진 측정값을 산출하는데, 이는 결합 강도(또는 affinity)의 척도입니다. KD가 낮을수록 결합이 더 단단합니다.
결과 설계물을 평가할 때, 우리는 설계물을 특정 독소에 대한 바인더로 표시하기 위한 엄격한 기준을 설정했습니다. 설계물은 두 실험실 모두에서 hit 이어야 했습니다3. 즉, 모든 반복 실험에서 해당 독소에 대한 결합 증거를 보여야 했고, 모든 KD가 1 µM 이상 단단해야 했습니다. 또한 설계물이 비표적 결합 또는 '끈적임'을 측정하기 위해 사용되는 무관한 인간 단백질인 CLEC12A에 대해 신호를 보이지 않아야 했습니다.
Claude의 Cn2 바인더는 독소 중화 항체와 동일한 부위에 결합하는 것으로 보임
항체와 나노바디는 여전히 de novo 설계가 넘어야 할 표준입니다. Cn2 또는 AaH II에 대해 1 nM(나노몰) 미만의 친화도(KD)가 보고된 세 가지 분자가 있으며, 이들은 생쥐를 전갈 독소로부터 보호하는 것으로 입증되었습니다.
우리가 Cn2-B1과 Cn2-B2라고 명명한 가장 강력한 두 바인더는 멕시코 전갈에서 유래한 신경독소인 Cn2를 표적으로 합니다 Centruroides noxius의 신경독소인 Cn2를 표적으로 합니다. 이 둘은 Adaptyv Bio와 Twist Bioscience 양쪽에서 Cn2에 단일 자릿수 나노몰 범위의 친화도(KD)로 단단하게 결합했습니다.
두 분자(예: 항체와 미니단백질)가 표적의 동일한 부위에 결합하는지 확인하는 한 가지 방법은 competition experiment, 로, 두 바인더가 동시에 표적에 부착될 수 있는지 검증합니다. . 한 분자의 존재가 다른 분자의 결합을 감소시킨다면, 이들은 동일한 결합 부위를 두고 경쟁할 가능성이 높습니다.
우리의 경쟁 실험은 Cn2 바인더 각각이 LR이라는 항체와 동일한 epitope (결합 부위) 또는 그 근처에 부착함을 시사하며, 이 항체는 Cn2를 중화하는 것으로 보고된 마우스에서의 LR입니다. LR의 결합 부위는 Cn2가 나트륨 채널에 부착하여 신경이 오작동하게 만드는 부분을 덮고 있습니다. 우리는 가장 강력한 결합체인 Cn2-B1과 Cn2-B2를 세포 환경이나 살아있는 동물에서 시험하지 않았지만, 이들이 LR과 경쟁한다는 사실은 Cn2를 중화할 가능성이 높음을 시사합니다.
결합체는 항독소 개발의 첫걸음일 뿐입니다
우리의 결과는 재조합 독소, 즉 독에서 정제된 것이 아니라 각 독소의 유전자로부터 실험실에서 배양된 독소에 대한 결합만을 보여줍니다. 이 연구의 두 가지 가장 큰 한계는 우리가 어떤 설계도 in vitro (실험실에서 배양한 세포에 대해) 중화 효능이나 in vivo (마우스와 같은 살아있는 동물에서) 효과를 시험하지 않았다는 점입니다.
만약 우리가 어떤 설계를 치료법으로 발전시킨다면, Cn2-B1이 가장 유력한 후보 중 하나가 될 것입니다. 다만 먼저, 해당 설계가 독에서 정제된 독소에도 결합하는지 확인해야 합니다. 그런 다음 패치클램프 기록(나트륨 채널을 통과하는 전류를 측정할 수 있는 방법)으로 in vitro 기능을 평가하여 독소가 채널에 작용하는 것을 막는지 확인할 것입니다. 이후 마우스에서 결합체를 시험하여 실제로 보호 효과가 있는지 확인해야 합니다. 독소를 중화하는 것 외에도, 치료법은 안전하고, 안정적이며, 저렴하고, 독침 사고가 발생하는 곳에서 이용 가능해야 합니다. 환자에게 전달되기 위해서는 임상의, 자금 지원 기관, 정책 입안자들의 협력도 필요합니다.
우리는 모든 211개 설계와 그 결합 데이터를 공개 하여 다른 연구자들이 우리의 연구를 토대로 발전시킬 수 있도록 합니다. 우리가 공개하는 데이터와 함께 이번 Claude의 능력 시연이 항독소 설계에 대한 추가 연구를 가속화하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
추가 자료
다음 자료들은 위에서 설명한 결과에 대한 더 깊은 기술적 내용과 더 자세한 정보를 제공합니다:
- 기술 보고서;
- 데이터 공개: 모든 211개 설계, 예측 구조와 점수, 그리고 실험 데이터;
- 이전 게시물에서 다룬 단백질 설계 그리고 바이오분자 모델링의 고양.
각주
01Citrini가 작성한 저희 협업에 관한 기사는 여기에서 보실 수 있습니다.
02우리는 이것이 대부분의 연구자들이 접근할 수 있는 것보다 훨씬 많다는 것을 잘 알고 있습니다. 별도로, 우리는 이 모델들을 평균 4배 더 빠르게 만들었습니다단일 에이전트와 단일 GPU를 사용하는 단순화된 프롬프트가 24시간 동안 유사한 수준에 도달함을 보여주었으며, in silico 점수.