人工智慧設計的蛋白質徹底改變了蛇咬傷的治療方法
科學家們開創了一種使用新設計的蛋白質對抗蛇毒的突破性方法,為更有效、更易於獲取和更實惠的抗蛇毒解決方案帶來了希望。透過利用先進的計算技術和深度學習,這種創新方法已經在中和致命毒素方面顯示出良好的效果,有可能改變抗蛇毒血清的開發,並為應對其他被忽視的疾病提供新的策略。

科學家設計出新的蛋白質——與自然界中發現的任何蛋白質都不一樣——可以中和蛇毒中一些最有毒的成分。利用先進的深度學習和計算方法,研究人員開發出這些蛋白質,與現有的抗蛇毒血清相比,它們有可能創造出更安全、更實惠、更廣泛使用的治療方法。
根據世界衛生組織統計,每年有超過200 萬人遭受蛇咬傷,超過10 萬人死亡,30 萬人出現嚴重併發症,包括肢體畸形、截肢和其他長期殘疾。蛇咬傷負擔最重的地區是撒哈拉以南非洲、南亞、巴布亞紐幾內亞和拉丁美洲,這些地區獲得有效治療的機會往往有限。
這項旨在改進抗蛇毒療法的開創性計算生物學研究由華盛頓大學醫學蛋白質設計研究所和丹麥技術大學的科學家領導。他們的研究結果於1 月15 日發表在《自然》雜誌。
論文的主要作者是華盛頓大學醫學院生物化學系和華盛頓大學生物物理研究生課程的Susana Vazquez Torres。她的家鄉是墨西哥克雷塔羅,靠近蝰蛇和響尾蛇的棲息地。她的職業目標是發明新藥,用於治療被忽視的疾病和傷害,包括蛇咬傷。

Susana Vazques Torres 在西雅圖華盛頓大學蛋白質設計醫學研究所進行新藥開發研究。圖片來源:Ian Haydon/華盛頓大學蛋白質設計醫學研究所
眼鏡蛇咬傷的挑戰
她的研究團隊還包括來自英國和丹麥的蛇咬傷研究、藥物和診斷以及熱帶醫學領域的國際專家,他們專注於尋找中和某些眼鏡蛇毒液的方法。眼鏡蛇是一大群毒蛇,其中包括眼鏡蛇和曼巴蛇,它們生活在熱帶和亞熱帶地區。
大多數眼鏡蛇物種都有兩顆小毒牙,形狀像淺針。在頑強的咬傷過程中,毒牙可以從蛇頜後部的腺體中註入毒液。毒液的成分包括可能致命的三指毒素。這些化學物質會透過殺死細胞來損害身體組織。更嚴重的是,透過中斷神經和肌肉之間的訊號,三指毒素會導致癱瘓和死亡。
目前治療的局限性
目前,治療眼鏡蛇毒蛇咬傷的方法是使用從已對蛇毒素免疫的動物血漿中提取的抗體。生產抗體的成本很高,而且它們對三指毒素的有效性有限。這種治療也會產生嚴重的副作用,包括導致患者休克或呼吸窘迫。
「開發新藥的努力一直很緩慢,也很費力,」Vazquez Torres 指出。

Suzana Vazquez Torres 在西雅圖華盛頓大學蛋白質設計醫學研究所的實驗室裡拿著一個3D 列印的蛋白質模型。圖片來源:Ian Haydon/華盛頓大學蛋白質設計醫學研究所
研究人員使用深度學習計算方法試圖加快發現更好的治療方法。他們創造了新的蛋白質,透過與三指毒素化學物質結合來幹擾它們的神經毒性和細胞破壞特性。
透過實驗篩選,科學家們獲得了具有熱穩定性和高結合親和力的蛋白質的設計。實際合成的蛋白質在原子層面上與深度學習電腦設計幾乎完全匹配。
在實驗室培養皿中,設計的蛋白質有效地中和了所測試的所有三種三指毒素亞家族。當老鼠服用時,設計的蛋白質保護了動物免受可能致命的神經毒素的侵害。
設計蛋白質具有關鍵優勢。它們可以透過重組DNA 技術製造,品質穩定,無需透過動物免疫。 (在這種情況下,重組DNA 技術是指科學家採用實驗室方法,採用計算設計的新蛋白質藍圖並合成該蛋白質。)
此外,與抗體相比,針對蛇毒素設計的新蛋白質很小。它們較小的尺寸可能允許更大程度地滲透到組織中,從而快速抵消毒素並減少損害。
除了開闢開發抗蛇毒血清的新途徑外,研究人員認為計算設計方法還可用於開發其他解毒劑。這種方法也可能用於發現治療治療不足的疾病的藥物,這些疾病影響科研資源極為有限的國家。
「計算設計方法可以大大降低開發被忽視的熱帶疾病療法的成本和資源需求,」研究人員指出。
編譯自/ scitechdaily