摘要： 作为我们探索 Claude 如何帮助加速药物发现工作的一部分，我们让一个内部研究模型设计针对蝎子神经毒素的 微型结合剂 （能紧密附着于目标的小蛋白）。Claude 根据我们的提示词和四次后续指令开展工作，这些指令是我们与金融投资研究公司 Citrini Research 合作制定的。Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 的团队对 211 个设计进行了结合实验测试，其中 17 个达到了我们的标准。我们将公开全部 211 个设计及其数据，作为该领域的资源。
8 月份，我们展示了 Claude 在仅收到单个提示词后如何设计蛋白微型结合剂 。在我们发布那些结果的一个月前，来自 Citrini Research 的一个团队向我们提出了一个有趣的问题：Claude（以及更广泛的 AI 药物发现）能否让一群有积极性的非专业人士去解决一个真实的人类健康问题？我们的生命科学研究团队着手回答这个问题，首先与 Claude 一起头脑风暴来确定问题。我们最终决定请 Claude 帮助设计针对蝎子神经毒素的新型蛋白结合剂，希望它们有朝一日能用于开发蝎子抗蛇毒血清。
每年有 1.2 百万人或更多人被蝎子蜇伤，导致超过 3,250 人死亡，其中大多数是医疗资源匮乏地区的儿童。新疗法的制造成本高昂，而且很可能无法收回开发成本。由于投资如此之少，蝎子中毒已被 描述为 一种被忽视的热带疾病。
我们首先给 Claude 提供了我们早期蛋白结合剂研究中使用的同一提示词，并与 Citrini 对其进行了修改。1 在接下来的 64 小时里，一个在 Claude Science 内部运行的内部研究模型主要自主开展工作，尽管我们通过四次后续指令对其工作进行了引导。在我们的监督下，Claude 分析了研究数据、生成了图表并起草了最终报告。
Claude 的设计项目产出了 17 种蛋白结合剂，每一种都能与四种已知对人类危险的蝎子神经毒素之一结合。在整个过程中，Claude 生成了 318,484 个蛋白设计，并从中选出 180 个进行测试。我们的团队在 Claude 的帮助下又增加了 31 个。我们在 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 这两家合同研究组织（CRO）的合作伙伴对全部 211 个设计进行了实验室测试，检验它们是否能与设计时所针对的毒素结合，结果有 17 个设计达到了我们对结合剂的标准。我们尚未确认这些结合剂是否能在细胞环境中中和蝎子毒液，因此我们不声称已研制出抗蛇毒血清。
我们将 Claude 的工作发给两位外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins，他们表示认为这项工作是有前景的第一步。如果 AI 现在能够在几天内设计出针对多种难以靶向毒素的可靠结合剂，并且能在几周内在实验室中得到确认，那么从理论上讲，这可以加快中毒及其他被忽视疾病的发现进程。一如既往的挑战在于，如何将这些结合剂转化为安全、可负担且广泛可及的药物。
我们在 技术报告中分享了更多细节，并且正在公开 全部 211 个设计及其数据.
针对几乎所有目标设计结合剂已不再显得不切实际。我们现在能够非常快速地获得紧密结合剂，结合本身已不再是主要瓶颈。对于蛇和蝎子等毒液动物——它们的咬伤和蜇伤致死或重伤大量人群，尤其是在服务不足的地区——真正的影响将来自于解决治疗管线中超越结合的环节。挑战在于利用这些非凡的工具开发能够成为真正药物的分子，即安全、可负担且广泛可及的药物。
Susana Vázquez Torres，西班牙马德里西班牙国家癌症研究中心（CNIO）结构生物学项目博士后研究员。
针对来自四种蝎子的五种毒素设计 de novo 结合剂
蝎子毒液含有多种蛋白神经毒素。最有可能伤害或致死人类的神经毒素会附着于 钠通道，这是嵌入神经细胞膜中的大型蛋白，使神经细胞能够放电。当钠通道被扰乱时，神经会在错误的时间放电——这会释放大量应激化学物质，如肾上腺素。在严重情况下，这可能导致心力衰竭和肺部积液过多，偶尔会导致死亡。
目前已有一些用于蝎子蜇伤的抗蛇毒血清。它们通常是用免疫动物的抗体制造的，这个过程可能需要数月。人们从数千只蝎子中采集毒液，并用它来免疫马；然后科学家从马的血液中纯化所得抗体。传统抗蛇毒血清如果在早期给药可以起效，但通常仅对少数神经毒素有效。它们的生产成本也很高，而且在许多地区价格昂贵或供应短缺。
de novo 设计提供了一种潜在的解决方案。结合剂是一种能紧密附着于特定靶标的分子；抗体就是天然的例子之一。原则上，一种靶向神经毒素与钠通道结合部位的结合剂，可以阻止毒素到达通道。在 de novo 设计中，蛋白质结合剂是针对特定靶标从零开始生成的。这些结合剂通过计算设计，并可以针对效力和稳定性等药物特性进行优化，这可能使它们更容易在蜇伤最常发生的地区供应。
我们的方法受到了 一项早期研究的启发 ，该研究设计了 de novo 蛋白质，能够中和蛇神经毒素并保护小鼠。据我们所知，此前尚无针对蝎子神经毒素的 de novo设计结合剂的报道。
在这项工作中，我们选择针对四个地区的五种蝎毒神经毒素：墨西哥（Cn2）、巴西（Ts1）、北非（AaH I 和 AaH II）以及中东（LqhIII）。我们还选择将设计瞄准每种毒素的通道结合位点。Claude 通过搜索蛋白质数据库（Protein Data Bank，PDB）和 AlphaFold 数据库（AFDB）来挑选用于设计的毒素结构。对于每种毒素，它选择了五个 热点，即毒素上其结合剂设计所要结合的特定氨基酸位置。
我们主要想知道 Claude 能否设计出针对 单个 毒素的结合剂。但我们也很好奇 Claude 能否设计出靶向 多种 毒素的结合剂。尝试设计多毒素结合剂有一个实际原因，即它可以减少通用抗毒血清鸡尾酒所需的分子数量——这将是最具成本效益且不受地区限制的治疗方案。我们选择这五种蝎子毒素（Cn2、Ts1、AaH I、AaH II 和 LqhIII）作为多毒素设计的一项具有挑战性的测试：它们共享一种决定蛋白质整体形状的折叠，但任意两种毒素的氨基酸序列仅有 26% 到 62% 相同。
为了看看 Claude 能走多远，我们要求它设计四种结合剂：分别针对五种毒素各自的结合剂；靶向 β 家族毒素 Ts1 和 Cn2 的结合剂；靶向 α 家族毒素 AaH II、AaH I 和 LqhIII 的结合剂；以及同时靶向所有五种毒素的结合剂。
在几天内并行设计出针对五种毒素的可靠结合剂，是我们在治疗发现领域所见到的 AI 驱动范式转变的绝佳展示。对于被忽视的疾病尤其如此，例如动物中毒性疾病，由于商业激励低，这些领域长期缺乏创新。能够以智能体方式应对动物毒素中异常广泛的靶标空间，可大幅加快发现速度，并使现实可行的治疗方案更近一步。
Timothy P. Jenkins，丹麦技术大学副教授。
Claude 在相当大的自主性下运行了这项设计工作
我们的初始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、评分和过滤的规则。除了选择结构和氨基酸热点之外，Claude 还设定了设计必须通过的质量阈值，决定在多大程度上依赖每种可用的设计工具，并制定了针对多种毒素设计结合剂的策略。
最终，Claude 使用了 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质相似的设计。Claude 对 553,052 个设计-毒素对进行了共同折叠和筛选，将每一对预测为一个复合物的结构。在我们给出初始提示词 64 小时后，它产出了最终的 180 个设计清单。这项工作消耗了约 10,000 GPU 小时的算力。2
在收到我们的第一个提示词后，Claude 自主工作了 24 小时。其结果鼓励我们提示 Claude 继续工作并寻找更好的设计。我们的后续提示主要集中在引导 Claude 设计多毒素结合剂。Claude 选择了 180 个设计中的大部分——包括我们最强的结合剂（Cn2-B1）——但这是在我们第三次跟进提示之后才完成的。应我们的要求，Claude 将蛋白质序列发送给了 Twist Bioscience（在表明由 Claude 撰写的电子邮件中），后者生产了这些蛋白质，以测试它们与毒素的结合效果。后来我们与 Claude 合作又增加了 31 个设计，使总数增加到 211 个设计：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。
在我们的团队评估的211个设计中，17个满足了我们的结合剂标准，且每个均针对单一毒素。针对多种毒素设计的设计中，没有一个能满足针对超过一种毒素的标准。（除了受其现有能力限制外，Claude在此遇到困难可能有很多原因，包括我们的提示词、现有设计工具的局限性，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的结合剂，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个是结合剂（18%）。这一比例与典型的蛋白质设计项目相符，包括我们以往的工作。
在实验室中测试Claude的设计
在完成该项目后，我们将设计送往Adaptyv Bio和Twist Bioscience进行结合测试。每个团队都在各自的实验室中制备了这些设计，但采用的形式不同。Adaptyv Bio在一种 无细胞系统中表达它们，该系统使用从细菌中提取的蛋白质合成机器，而非活细胞。Twist Bioscience则在哺乳动物细胞（在此例中为人类肾细胞）中将这些设计表达为与 Fc（抗体的主干部分）的融合蛋白。这是测量潜在结合过程的互补方法，我们将两者结合以提高对结果的信心。
两个实验室都通过 表面等离子体共振 （SPR）来测量结合，即让毒素流经设计分子，SPR仪器实时追踪毒素与设计分子结合及解离的速度。由此产生的轨迹称为传感图，可得出一个被称为 解离常数 （KD）的测量值，它是结合强度（即 亲和力）的量度。KD越低，结合越紧密。
在评估所得设计时，我们为将某个设计标记为针对某毒素的结合剂设定了严格标准。该设计需要 在两个实验室均为 阳性3——也就是说，它需要在每次重复实验中都显示出与该毒素结合的证据，且每个KD值都需要达到1 µM或更紧密。我们还要求该设计对CLEC12A（一种用于测量脱靶结合或“粘性”的不相关人类蛋白）不显示任何信号。
Claude的Cn2结合剂可能与一种毒素中和抗体结合相同的位点
抗体和纳米抗体仍然是 从头 设计需要超越的标准。已有三种此类分子被报告对Cn2或AaH II具有低于1 nM（纳摩尔）的亲和力（KD），并且已被证明能够保护小鼠免受蝎毒毒素的侵害。
我们最强的两个结合剂，我们称之为Cn2-B1和Cn2-B2，靶向Cn2——一种来自墨西哥蝎子 Centruroides noxius的神经毒素。它们在Adaptyv Bio和Twist Bioscience均与Cn2紧密结合，亲和力（KD）处于个位数纳摩尔范围。
确定两个分子（例如一个抗体和一个小蛋白）是否结合靶标上同一位点的一种方法是进行 竞争实验， 该实验测试两种结合剂是否能同时附着于靶标。. 如果一个分子的存在减少了另一个分子的结合，那么它们很可能竞争同一个结合位点。
我们的竞争实验表明，我们的Cn2结合剂各自附着于与一种名为LR的抗体相同或相近的 表位 （结合位点），该抗体 据报道可中和Cn2 在小鼠体内。LR的结合位点覆盖了Cn2与钠通道结合并导致神经错误放电的部分。我们尚未在细胞环境或活体动物中测试我们最强的结合物Cn2-B1和Cn2-B2，但它们能与LR竞争这一事实表明，它们很可能能够中和Cn2。
结合物只是开发抗蛇毒血清的第一步
我们的结果仅显示了对 重组 毒素的结合，这些毒素是在实验室中从每种毒素的基因培养而来，而不是从毒液中纯化而来。本研究最大的两个局限是，我们没有测试任何设计的中和活性 在体外 （针对实验室培养的细胞）或有效性 在体内 （在活体动物中，例如小鼠）。
如果我们要将某一设计推向疗法阶段，Cn2-B1将是我们最强的候选之一。但首先，我们需要确认该设计也能结合从毒液中纯化的毒素。然后，我们将通过膜片钳记录（可测量通过钠通道的电流）在体外 评估其功能 ，以观察它是否能阻止毒素作用于通道。接着，我们需要在小鼠中测试该结合物，看看它是否真的能保护它们。除了中和毒素之外，一种治疗方法还必须安全、稳定、经济，并在蜇伤发生的地方可获得。让患者用上它还需要临床医生、资助者和政策制定者的合作。
我们正在发布 全部211个设计及其结合数据 ，以便其他研究者能在我们的工作基础上继续研究。我们希望这次对Claude能力的展示，连同我们发布的数据，能帮助加速抗蛇毒血清设计的进一步研究。
延伸阅读
以下资源提供了关于上述结果的更深入的技术细节和更详细的信息：
- 技术报告;
- 数据发布： 全部211个设计、其预测结构和评分，以及实验数据;
- 我们之前关于 蛋白质设计 以及 提升生物分子建模水平.
脚注
01Citrini 撰写了一篇 关于我们合作的文章，见此链接.
02我们意识到这比大多数研究人员所能获得的资源要多得多。此外,我们还 使这些模型平均提速约4倍，并表明在24小时内使用单个智能体和单块GPU的简化提示可达到相当的 计算机模拟（in silico） 分数。