Claude 如何设计出针对蝎毒神经毒素的蛋白结合体

摘要： 在一项探索 Claude 如何加速药物发现的实验中，我们让一个内部研究模型针对蝎神经毒素设计微型结合体（minibinders，即能紧密附着于靶标的小型蛋白质）。Claude 依据我们提供的提示词以及四次后续指令开展工作，这些提示词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 个符合我们的标准。我们将全部 211 个设计及其数据公开，供该领域使用。

今年 8 月，我们展示了 Claude 在只收到一条提示词的情况下如何设计蛋白质微型结合体。在那批结果发布的一个月前，Citrini Research 的一个团队找到我们，提出了一个有意思的问题，Claude（以及更广义的 AI 药物发现）能否让一群有干劲的非专业人士解决人类健康领域的一个真实问题？我们生命科学研究团队的成员着手回答这个问题，第一步是用 Claude 做头脑风暴。最终我们决定请 Claude 帮忙设计针对蝎神经毒素的新型蛋白质结合物，希望有朝一日能用于开发蝎子抗毒血清。

每年至少有 120 万人被蝎子蜇伤，造成超过 3,250 人死亡，死者多为医疗条件有限地区的儿童。新疗法的制造成本高昂，而且很可能无法收回开发成本。由于投入如此之少，蝎子蜇伤中毒已被称为一种被忽视的热带病。

我们首先把此前蛋白质结合物研究中使用过的提示词交给 Claude，并经 Citrini 修改。¹ 在接下来的 64 小时里，一个内部研究模型在 Claude Science 中运行，基本自主工作，我们则通过四次后续指令引导其方向。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 个蛋白结合体，每个都能与四种已知对人类有剧毒的蝎子神经毒素之一结合。整个过程中，Claude 生成了 318,484 个蛋白质设计，并从中挑选了 180 个送去测试。在 Claude 的协助下，我们的团队又补充了 31 个。合作方 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 是两家合同研究组织（CRO），他们对全部 211 个设计做了实验室测试，看这些设计能否与各自针对的毒素结合，结果有 17 个设计达到了我们对结合体的标准。我们尚未确认这些结合体能否在细胞环境中中和蝎毒，因此不宣称已经做出了抗毒血清。

我们把 Claude 的成果交给了两位外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins 评审，他们认为这项工作是一个有希望的开端。如果 AI 现在能在几天内针对多种难以靶向的毒素设计出可信的结合体，并在数周内通过实验室验证，理论上这可以加快蛇伤中毒及其他被忽视疾病的药物发现。难点一如既往，在于如何把这些结合体变成安全、可负担、可广泛获得的药物。

更多细节见我们的技术报告，全部 211 个设计及其数据也已公开。

针对几乎任何靶点设计结合体，已经不再显得不切实际。我们现在能很快拿到亲和力很高的结合体，结合本身不再是主要瓶颈。对于蛇和蝎子这类有毒动物（它们的咬伤和蜇伤在医疗资源匮乏的地区尤其造成大量死亡和重伤），真正的影响将来自攻克治疗流程中结合之外的那些环节。挑战在于利用这些非凡的工具，开发出能成为真正药物的分子，也就是安全、可负担、可广泛获得的分子。

Susana Vázquez Torres，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，西班牙马德里。

针对四种蝎子的五种毒素设计 de novo 结合体

蝎毒中含有多种蛋白质神经毒素。其中最可能致人伤害或死亡的神经毒素，会附着在钠通道上。钠通道是嵌在神经细胞膜上的大型蛋白质，使神经细胞得以放电。钠通道一旦受到干扰，神经就会在不该放电的时候放电，释放出大量肾上腺素等应激化学物质。严重时可导致心力衰竭和肺部积液，偶尔致命。

目前已有一些针对蝎蜇伤的解毒血清，通常用免疫动物的抗体制成，整个过程耗时数月。先从成千上万只蝎子身上取毒，用来免疫马匹，再从马血中纯化出所得抗体。传统解毒血清在蜇伤早期使用可以起效，但一般只对少数几种神经毒素有效。生产成本也高，许多地区价格昂贵或供应短缺。

de novo 设计提供了一种可能的解法。结合体是能紧密附着于特定靶标的分子，抗体就是天然的一例。原则上，针对神经毒素上结合钠通道那一部分设计的结合体，可以阻止毒素接触通道。de novo 设计从零开始针对特定靶标生成蛋白结合体。这类结合体通过计算设计，可以针对效力和稳定性等成药性质进行优化，从而更容易供应到蜇伤高发地区。

我们的思路来自一项早期工作，那项工作设计了 de novo 蛋白质，中和蛇神经毒素并保护了小鼠。据我们所知，此前还没有针对蝎神经毒素的 de novo 设计结合体的报道。

这次我们选择了四个地区的五种蝎毒神经毒素作为靶标，墨西哥（Cn2）、巴西（Ts1）、北非（AaH I 和 AaH II）以及中东（LqhIII）。我们还把设计目标定在每个毒素的通道结合位点上。Claude 通过检索 Protein Data Bank（PDB）和 AlphaFold 数据库（AFDB），挑选了用于设计的毒素结构。针对每种毒素，它选出了五个热点，即毒素上特定的氨基酸位点，结合体的设计要附着在这些位点上。

我们最初想知道的是，Claude 能否针对_单一_毒素设计结合体。但我们也好奇，Claude 能否设计出靶向_多种_毒素的结合体。尝试设计多毒素结合体有很实际的理由，它能减少通用抗毒血清鸡尾酒所需的分子数量，从而成为最具成本效益、在各地区都通用的治疗方案。我们选了这五种蝎毒素（Cn2、Ts1、AaH I、AaH II 和 LqhIII）作为多毒素设计的难题测试：它们的蛋白质整体形状共用同一种折叠，但任意两种之间的氨基酸序列一致性只有 26% 到 62%。

为了看 Claude 能走多远，我们让它设计四类结合体，分别针对五种毒素各自的结合体；靶向 β 家族毒素 Ts1 和 Cn2 的结合体；靶向 α 家族毒素 AaH II、AaH I 和 LqhIII 的结合体；以及同时靶向全部五种毒素的结合体。

在几天之内并行设计出针对五种毒素的可靠结合体，充分展示了我们在治疗药物发现领域看到的 AI 驱动的范式转变。对于动物咬伤中毒这类被忽视的疾病尤其如此，由于商业激励不足，这些领域长期缺乏创新。能够以智能体方式应对动物毒素这一格外宽广的靶点空间，可以显著加快发现进程，让现实可行的治疗方案离我们更近。

Timothy P. Jenkins，丹麦技术大学副教授。

Claude 以相当大的自主性完成了整个设计流程

我们最初的提示词定义了神经毒素靶点、蛋白质设计与折叠工具，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 还设定了设计必须达到的质量阈值，决定了在多大程度上依赖每一种可用的设计工具，并制定了针对多种毒素设计结合体的策略。

最终，Claude 使用 12 个设计工具生成了 318,484 个设计，并过滤掉了任何类似毒素或已知蛋白质的设计。Claude 对 553,052 个设计-毒素配对进行了共折叠和筛选，将每个配对预测为一个复合物。在我们给出初始提示词 64 小时后，Claude 产出了最终包含 180 个设计的清单。整个项目大约消耗了 10,000 GPU 小时。²

在收到我们的第一个提示词后，Claude 自主工作了 24 小时。它的结果促使我们继续提示 Claude 推进这一项目，寻找更好的设计。后续提示词主要聚焦于引导 Claude 设计多毒素结合体。180 个设计中的大多数，包括最强的 Cn2-B1，都是在我们第三次追加提示之后才由 Claude 选出的。应我们的要求，Claude 将蛋白质序列发送给了 Twist Bioscience（邮件中注明由 Claude 撰写），由后者合成蛋白质，以检验它们与毒素的结合效果。之后我们又与 Claude 合作增加了 31 个设计，使总数达到 211 个，其中针对单一毒素的设计 60 个（每种毒素 12 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 30 个，针对全部五种毒素的设计 91 个。

在我们团队评估的 211 个设计中，有 17 个达到了我们设定的结合体标准，且每一个都只针对单一毒素。针对多种毒素的设计中，没有任何一个对一种以上的毒素达标。（除了受当前能力所限，Claude 在这方面表现不佳可能还有很多解释，包括我们的提示方式、现有设计工具的局限，甚至多毒素设计在生物学上是否可行。）其中 7 个设计是 Cn2 的结合体，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，有 11 个是结合体（18%）。这一比例与典型的蛋白质设计项目相符，也包括我们此前的工作。

在实验室中检验 Claude 的设计

项目完成后，我们将设计送往 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 进行结合测试。两家实验室各自在自己的实验室中生产了这些设计，但形式不同。Adaptyv Bio 采用的是无细胞体系，即从细菌中提取的蛋白合成机器，而非活细胞。Twist Bioscience 则在哺乳动物细胞（此处为人肾细胞）中表达，并将设计融合到Fc上，也就是抗体的茎部。这两种方法测量的是同一个结合过程，互为补充；我们将两边的结果合在一起来提高结论的可信度。

两家实验室都用表面等离子共振（SPR）测量结合。让毒素流过设计分子，SPR 仪器实时记录毒素结合上去和脱落的速度。得到的曲线称为传感图，由此算出解离常数（KD），用来衡量结合强度（即亲和力）。KD 越低，结合越紧。

评估这些设计时，我们制定了一套严格标准，满足标准才算能结合毒素。设计必须在两家实验室都算命中³，也就是说，每个重复实验中都要有结合该毒素的证据，且每个 KD 都要达到 1 µM 或更低。我们还要求设计对 CLEC12A 不产生信号；CLEC12A 是一种无关的人源蛋白，用来检测脱靶结合，也就是“黏性”。

Claude 的 Cn2 结合体很可能与一株中和毒素的抗体结合同一位点

在 de novo 设计要超越的对象中，抗体和纳米抗体仍是标杆。已有三种这类分子报道了对 Cn2 或 AaH II 的亲和力（KD）低于 1 nM（纳摩尔），并已被证明能保护小鼠免受蝎毒侵害。

我们最强的两个结合体，命名为 Cn2-B1 和 Cn2-B2，靶向 Cn2，即墨西哥蝎 Centruroides noxius 的一种神经毒素。它们在 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 都紧紧结合 Cn2，亲和力（KD）在个位数纳摩尔范围内。

要判断两个分子（例如抗体和微型蛋白）是否结合靶标上的同一位点，一种方法是做_竞争实验_，检验两个结合体能否同时附着到靶标上。如果其中一个分子的存在降低了另一个分子的结合，那么它们很可能在争夺同一个结合位点。

我们的竞争实验表明，我们的 Cn2 结合体各自附着在一种名为 LR 的抗体的同一_表位_（结合位点）上或附近，据报道该抗体能在小鼠体内中和 Cn2。LR 的结合位点覆盖了 Cn2 中附着到钠通道、导致神经异常放电的那部分。我们尚未在细胞环境或活体动物中测试最强的结合体 Cn2-B1 和 Cn2-B2，但它们能与 LR 竞争这一事实表明，它们很可能中和 Cn2。

结合体只是研发抗毒血清的第一步

我们的结果只能证明这些设计能与重组毒素结合。重组毒素是在实验室里依据各毒素的基因培育出来的，而非从蛇毒中提纯。本研究有两个最大的局限，我们没有测试任何设计在体外（针对实验室培养的细胞）的中和效果，也没有测试体内（在活体动物如小鼠身上）的药效。

如果要把某个设计推进到疗法阶段，Cn2-B1 会是我们最有希望的候选之一。但首先，我们需要确认该设计也能与从蛇毒中提纯的毒素结合。然后，我们会用膜片钳记录（可测量通过钠通道的电流）在体外评估其功能，看它是否能阻止毒素作用于通道。接着，还需要在小鼠身上测试该结合体，看它是否真能起到保护作用。除了中和毒素，一种疗法还必须安全、稳定、可负担，并且能在发生蜇伤的地方获得。要让疗法真正到达患者手中，还需要临床医生、资助方和政策制定者的合作。

我们公开了全部 211 个设计及其结合数据，供其他研究者在我们的工作基础上继续推进。我们希望，这次对 Claude 能力的展示，连同我们发布的数据，能帮助加速抗毒血清设计的进一步研究。

延伸阅读

以下资源提供更多技术细节，以及关于上述结果的更详细信息。

• 技术报告；
• 数据发布：全部 211 个设计、其预测结构与评分，以及实验数据；
• 我们此前关于蛋白质设计和提升生物分子建模的文章。

脚注

Footnotes

1. Citrini 就我们的合作撰写了一篇文章，见此处。 ↩

2. 我们清楚，这远远超出了大多数研究者所能获得的资源。另外，我们已将这些模型的平均速度提升约 4 倍，并证明使用单一 agent、单块 GPU、运行 24 小时的简化提示，可以达到相当的in silico评分。 ↩

3. LqhIII 仅由 Adaptyv Bio 进行了评估。 ↩