Claude はサソリ毒の神経毒に対するタンパク質バインダーをどう設計したか

要旨： Claude が創薬をどう加速できるかを探る実験で、社内研究モデルにサソリ神経毒に対するミニバインダー（標的に強く結合する小型タンパク質）を設計させた。Claude は、金融投資調査会社 Citrini Research と共同で作成したプロンプトと、その後の 4 回の指示に沿って作業を進めた。Adaptyv Bio と Twist Bioscience のチームが 211 個の設計について結合実験を行い、17 個が私たちの基準を満たした。211 個の設計とそのデータはすべて公開し、この分野で活用してもらう。

今年 8 月、私たちは Claude がプロンプト 1 つだけでタンパク質ミニバインダーをどう設計するかを紹介した。その結果の公表を 1 か月後に控えたころ、Citrini Researchのチームが興味深い問いを持ち込んできた。Claude、ひいては AI による創薬は、意欲ある非専門家の集団が人類の健康に関わる実際の課題を解く助けになるのか、という問いだ。私たちの生命科学研究チームがこの問いに取り組み始め、まず Claude とともにブレインストーミングを行った。その結果、サソリ毒に対する抗毒素血清の開発につながることを見据え、サソリ神経毒に結合する新しいタンパク質の設計を Claude に依頼することにした。

サソリに刺される人は毎年少なくとも 120 万人に上り、3,250 人以上が死亡する。犠牲者の多くは医療体制が限られた地域の子どもだ。新しい治療法は製造コストが高く、開発費を回収できる見込みも薄い。こうした投資の乏しさから、サソリ刺傷中毒は顧みられない熱帯病と呼ばれてきた。

まず、以前のタンパク質バインダー研究で使ったプロンプトを Citrini の手で修正して Claude に渡した。¹ その後 64 時間、社内研究モデルが Claude Science 上でほぼ自律的に動き、私たちは 4 回の追加指示で方向を導いた。Claude は私たちの監督のもとで研究データを分析し、グラフを作成し、最終報告書の草稿をまとめた。

この設計プロジェクトから、ヒトに強い毒性を持つことが知られる 4 種類のサソリ神経毒のいずれかに結合するタンパク質バインダーが 17 個得られた。Claude はこの過程で 318,484 個のタンパク質を設計し、その中から 180 個を選んで試験に回した。私たちのチームが Claude の支援を受けて 31 個を追加した。契約研究機関（CRO）である Adaptyv Bio と Twist Bioscience が 211 個すべてについて、それぞれが狙った毒素に結合するかを実験室で調べ、17 個がバインダーとしての私たちの基準を満たした。これらのバインダーが細胞環境でサソリ毒を中和できるかはまだ確認しておらず、抗毒素血清ができたとは主張しない。

Claude の成果は外部の専門家 2 人、Susana Vázquez Torres と Timothy P. Jenkins に査読を依頼し、2 人とも有望な出発点だと評価した。標的にしにくい毒素に対して、AI が数日で複数の信頼できるバインダーを設計し、数週間で実験室での検証まで済ませられるなら、理論上はヘビ咬傷中毒やその他の顧みられない疾患の創薬を加速できる。難しいのはいつも通り、これらのバインダーを安全で手頃な価格の、広く行き渡る薬に変えるところにある。

詳細は技術報告書に、211 個の設計とそのデータも公開している。

ほぼどんな標的に対してもバインダーを設計することは、もはや非現実的には見えない。今は親和性の高いバインダーがすぐに得られ、結合そのものが主なボトルネックではなくなっている。ヘビやサソリのような有毒動物（その咬傷や刺傷は、とりわけ医療資源の乏しい地域で多くの死と重傷を生む）に対して本当の効果を生むのは、治療の流れのうち結合以外の部分を攻略することだ。課題は、この並外れたツールを使って、実際に薬になる分子、つまり安全で手頃な価格の、広く行き渡る分子を開発することにある。

Susana Vázquez Torres、スペイン国立がん研究センター（CNIO）構造生物学プログラム博士研究員、スペイン・マドリード。

4 種のサソリ、5 種の毒素に対する de novo バインダーの設計

サソリ毒には多様なタンパク質性の神経毒が含まれる。人に害や死をもたらす可能性が最も高い神経毒は、ナトリウムチャネルに結合する。ナトリウムチャネルは神経細胞の膜に埋め込まれた大型タンパク質で、神経細胞が発火することを可能にする。これが妨げられると、神経は発火すべきでないときに発火し、アドレナリンなどのストレス物質が大量に放出される。重い場合は心不全や肺水腫を起こし、まれに死に至る。

サソリ刺傷向けの抗毒素血清はすでにいくつか存在し、通常は免疫した動物の抗体から作るが、工程には数か月かかる。何千匹ものサソリから毒を採ってウマを免疫し、その血液から抗体を精製する。従来の抗毒素血清は刺傷の早期に使えば効くが、一般にごく少数の神経毒にしか対応しない。製造コストも高く、多くの地域では高価すぎたり供給が不足したりする。

_de novo_設計は解決策の一つになり得る。バインダーとは特定の標的に強く結合する分子で、抗体はその自然な例だ。原理上は、神経毒のうちナトリウムチャネルに結合する部分を狙って設計したバインダーなら、毒素がチャネルに触れるのを防げる。_de novo_設計は特定の標的に対してタンパク質バインダーをゼロから生み出す。計算によって設計するため、効力や安定性といった薬としての性質を最適化しやすく、刺傷の多い地域に供給しやすくなる。

着想は初期の研究に由来する。その研究では、ヘビ神経毒を中和してマウスを保護する_de novo_タンパク質が設計された。我々の知る限り、サソリ神経毒に対する_de novo_設計のバインダーはこれまで報告されていない。

今回の標的として、4 地域の 5 種類のサソリ毒神経毒を選んだ。メキシコ（Cn2）、ブラジル（Ts1）、北アフリカ（AaH I および AaH II）、中東（LqhIII）である。設計の狙いも各毒素のチャネル結合部位に定めた。Claude は Protein Data Bank（PDB）と AlphaFold データベース（AFDB）を検索し、設計に使う毒素構造を選び出した。毒素ごとに 5 つのホットスポット、すなわちバインダーの設計を付着させる毒素上の特定アミノ酸部位を選定した。

まず知りたかったのは、Claude が_単一_の毒素に対してバインダーを設計できるかどうかだった。同時に、Claude が_複数_の毒素を標的にしたバインダーを設計できるかにも関心があった。多毒素バインダーの設計には現実的な理由がある。汎用抗毒素血清カクテルに必要な分子の数を減らせれば、最も費用対効果が高く、どの地域でも使える治療法になるからだ。この 5 種類のサソリ毒素（Cn2、Ts1、AaH I、AaH II、LqhIII）を多毒素設計の難題として選んだ。タンパク質の全体的な形は同じフォールドを共有しているが、どの 2 つを取ってもアミノ酸配列の一致率は 26%から 62%しかない。

Claude がどこまでできるかを見るため、4 種類のバインダーを設計させた。5 種類の毒素それぞれに対するバインダー、βファミリーの毒素 Ts1 と Cn2 を標的にするバインダー、αファミリーの毒素 AaH II、AaH I、LqhIII を標的にするバインダー、そして 5 種類すべてを同時に標的にするバインダーだ。

5 種類の毒素に対する信頼できるバインダーを数日のうちに並行して設計してみせたことは、治療薬の発見分野で起きている AI 主導のパラダイムシフトをよく示している。特に動物咬傷中毒のような顧みられない疾患ではそうだ。商業的なインセンティブが乏しいため、こうした領域は長らく革新から取り残されてきた。動物毒素という際立って広い標的空間にエージェント的に取り組めることは、発見のプロセスを大きく加速し、実現可能な治療法を現実に近づける。

Timothy P. Jenkins、デンマーク工科大学准教授。

Claude は設計プロセス全体をかなりの自律性でやり遂げた

最初のプロンプトで定義したのは、神経毒素の標的、タンパク質設計とフォールディングのツール、そして新規性・スコアリング・フィルタリングのルールだ。Claude は構造とアミノ酸ホットスポットの選択だけでなく、設計が満たすべき品質のしきい値を設定し、利用可能な各設計ツールにどこまで依存するかを決め、複数の毒素に対するバインダーを設計する戦略も立てた。

最終的に Claude は 12 の設計ツールを使って 318,484 個の設計を生成し、毒素や既知のタンパク質に似た設計はすべて除外した。553,052 組の設計と毒素のペアを共フォールディングしてスクリーニングし、各ペアを複合体として予測した。最初のプロンプトを渡してから 64 時間後、Claude は最終的に 180 個の設計からなるリストを出した。プロジェクト全体でおよそ 10,000 GPU 時間を消費している。²

最初のプロンプトを受け取ってから、Claude は 24 時間自律的に作業した。その結果を受けて、私たちはさらにプロンプトを重ね、より良い設計を探すよう Claude を促した。以降のプロンプトは主に、多毒素バインダーの設計へと Claude を導くことに焦点を当てている。180 個の設計の大半は、最強の Cn2-B1 を含め、3 回目の追加プロンプトの後に Claude が選び出したものだ。私たちの依頼で、Claude はタンパク質配列を Twist Bioscience に送り（メールには Claude が書いたと明記されている）、毒素との結合を確かめるためにタンパク質を合成してもらった。その後さらに Claude と協力して 31 個の設計を追加し、合計 211 個とした。内訳は単一毒素向けが 60 個（毒素ごとに 12 個）、βファミリーの 2 毒素向けが 30 個、αファミリーの 3 毒素向けが 30 個、5 種類すべて向けが 91 個である。

私たちのチームが評価した 211 個の設計のうち、設定したバインダーの基準を満たしたのは 17 個で、そのすべてが単一毒素だけを標的にしていた。複数の毒素を狙った設計の中に、1 種類を超える毒素に対して基準を満たしたものはなかった。（現在の能力の限界以外にも、Claude がここで振るわなかった理由はいろいろ考えられる。私たちのプロンプトの出し方、既存の設計ツールの限界、あるいは多毒素設計が生物学的にそもそも可能かどうか、といった点だ。）内訳は Cn2 のバインダーが 7 個、AaH II 向けが 4 個、AaH I 向けが 4 個、LqhIII 向けが 2 個。単一毒素向けの 60 個の設計のうち、バインダーになったのは 11 個（18%）だった。この割合は、私たちの過去の仕事を含め、典型的なタンパク質設計プロジェクトと一致している。

研究室で Claude の設計を検証する

プロジェクトの完了後、設計を結合試験のために Adaptyv Bio と Twist Bioscience へ送った。両社はそれぞれ自社のラボでこれらの設計を生産したが、その形式は異なる。Adaptyv Bio が採用したのは無細胞系、つまり生きた細胞ではなく細菌から抽出したタンパク質合成装置である。Twist Bioscience は哺乳動物細胞（ここではヒト腎細胞）で発現させ、設計をFc、すなわち抗体の茎の部分に融合させた。この 2 つの方法は同じ結合過程を測定しており、互いに補完し合う。両社の結果を合わせることで、結論の信頼性を高めている。

両社とも結合の測定には表面プラズモン共鳴（SPR）を用いた。毒素を設計分子の上に流し、SPR 装置が毒素の結合と解離の速度をリアルタイムで記録する。得られる曲線はセンサーグラムと呼ばれ、そこから結合の強さ（親和性）を表す解離定数（KD）を算出する。KD が低いほど結合は強い。

これらの設計を評価するにあたり、毒素に結合できると判定するための厳格な基準を設けた。設計は両社のラボでヒット³と判定されること、つまり各反復実験でその毒素への結合の証拠があり、かつ各 KD が 1 µM 以下であることが条件だ。さらに、設計が CLEC12A に対してシグナルを出さないことも求めた。CLEC12A は無関係なヒトタンパク質で、オフターゲット結合、いわゆる「べたつき」を検出するために使う。

Claude の Cn2 バインダーは毒素を中和する抗体と同じ部位に結合する可能性が高い

de novo設計が超えるべき対象の中で、抗体とナノボディは依然として基準である。こうした分子のうち 3 種が、Cn2 または AaH II に対して 1 nM（ナノモル）未満の親和性（KD）を持つと報告されており、マウスをサソリ毒から守ることが示されている。

最も強い 2 つのバインダーは Cn2-B1、Cn2-B2 と名付けられ、メキシコサソリCentruroides noxiusの神経毒である Cn2 を標的とする。いずれも Adaptyv Bio と Twist Bioscience の両方で Cn2 に強く結合し、親和性（KD）は一桁ナノモル台だった。

2 つの分子（たとえば抗体とミニタンパク質）が標的上の同じ部位に結合するかどうかを判断する方法の一つに、_競合実験_がある。2 つのバインダーが同時に標的に付着できるかを調べるものだ。一方の分子の存在がもう一方の結合を減らすなら、両者は同じ結合部位を奪い合っている可能性が高い。

競合実験の結果、我々の Cn2 バインダーはそれぞれ、LR と呼ばれる抗体の同一の_エピトープ_（結合部位）上またはその近傍に付着することが分かった。この抗体はマウス体内で Cn2 を中和すると報告されている。LR の結合部位は、Cn2 のうちナトリウムチャネルに付着して神経の異常発火を引き起こす部分を覆っている。最も強いバインダー Cn2-B1 と Cn2-B2 は細胞環境や生きた動物ではまだ試験していないが、LR と競合するという事実は、両者が Cn2 を中和する可能性が高いことを示している。

バインダーは抗毒素血清開発の第一歩にすぎない

私たちの結果が示せたのは、これらの設計が組換え毒素に結合するということだけだ。組換え毒素は各毒素の遺伝子をもとに実験室で培養したもので、蛇毒から精製したものではない。本研究には最大の限界が二つある。どの設計についても、in vitro（実験室で培養した細胞に対する）中和効果を試しておらず、in vivo（マウスなどの生きた動物での）薬効も試していない。

ある設計を治療薬の段階へ進めるなら、Cn2-B1 は最も有望な候補の一つになるだろう。ただしまず、この設計が蛇毒から精製した毒素にも結合することを確かめる必要がある。次にパッチクランプ記録（ナトリウムチャネルを流れる電流を測定できる）でin vitro の機能を評価し、毒素がチャネルに作用するのを妨げられるかを見る。続いてマウスでこのバインダーを試し、実際に防御効果があるかを確かめる。毒素の中和だけでなく、治療薬には安全性、安定性、入手しやすさが要り、刺傷が起きた場所で入手できることも欠かせない。治療薬を実際に患者のもとへ届けるには、臨床医、資金提供者、政策立案者の協力も必要だ。

私たちは211 個すべての設計とその結合データを公開した。他の研究者が私たちの仕事の上でさらに進められるようにするためだ。Claude の能力を示した今回の結果と公開したデータが、抗毒素血清設計のさらなる研究を加速させる助けになればと思う。

関連資料

以下のリソースでは、より詳しい技術的詳細と、上記の結果についてのさらに詳しい情報を提供している。

• 技術レポート
• データ公開：211 個すべての設計、その予測構造とスコア、および実験データ
• 以前のタンパク質設計と生体分子モデリングの改善に関する記事

脚注

Footnotes

1. Citrini は私たちの協業について記事を書き、ここで読める。 ↩

2. これがほとんどの研究者が得られるリソースをはるかに超えていることは承知している。なお、私たちはこれらのモデルの平均速度を約 4 倍に高め、単一の agent、単一の GPU、24 時間実行する簡略化したプロンプトで、同等のin silico スコアに到達できることを示した。 ↩

3. LqhIII は Adaptyv Bio のみが評価した。 ↩