摘要：作为我们探索 Claude 如何帮助加速药物发现的工作的一部分，我们要求一个内部研究模型设计针对蝎神经毒素的微型结合蛋白（能紧密附着于靶标的小型蛋白质）。Claude 根据我们与金融投资研究公司 Citrini Research 合作制定的一个提示词和四次后续提示开展工作。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。我们将公开全部 211 个设计及其数据，作为该领域的资源。
今年 8 月，我们展示了 Claude 在只给出一个提示词后如何设计蛋白质微型结合蛋白。在我们发布那些结果的一个月前，Citrini Research 的一个团队带着一个有趣的问题找到我们：Claude（以及更广泛的 AI 药物发现）能否让一群有积极性的非专家解决一个真实的人类健康问题？我们生命科学研究团队的成员着手回答这个问题，首先与 Claude 一起头脑风暴问题。我们最终决定请 Claude 帮助设计针对蝎神经毒素的新型蛋白质结合体，希望它们有朝一日能用于开发抗蝎毒血清。
蝎子每年蜇伤至少 120 万人，造成超过 3,250 人死亡，死者大多是世界上医疗条件有限地区的儿童。新疗法的生产成本很高，而且也不太可能收回开发成本。由于投资如此之少，蝎蜇伤中毒被描述为一种被忽视的热带病。
我们首先把早先蛋白质结合体研究中用过的同一提示词交给 Claude，并用 Citrini 对其进行了修改。1 在接下来的 64 小时里，一个内部研究模型在 Claude Science 中运行，主要自主工作，不过我们通过四次后续提示指导其工作。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 的设计活动产生了 17 个蛋白质结合体，它们各自与四种已知对人类危险的蝎神经毒素中的一种结合。在整个过程中，Claude 生成了 318,484 个蛋白质设计，并从中选出 180 个用于测试。在 Claude 的帮助下，我们团队又增加了 31 个。我们的合作伙伴 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 是两家合同研究组织（CRO），它们在实验室测试了全部 211 个设计，以查看这些设计是否会与其针对的毒素结合，其中 17 个设计符合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，因此我们并不声称已经开发出抗蝎毒血清。
我们将 Claude 的工作发送给两位外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins，他们表示认为这项工作是有希望的第一步。如果 AI 现在能在数天内针对几种难以靶向的毒素设计出可信的结合体，并且能在数周内在实验室得到确认，那么理论上，这可能加速毒液致伤及其他被忽视疾病的发现。一如既往，挑战在于把这些结合体转化为安全、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，并将全部 211 个设计及其数据公开。
Susana Vázquez Torres，博士后研究员，结构生物学项目，西班牙国家癌症研究中心（CNIO），西班牙马德里。
从头设计针对四种蝎子来源的五种毒素的结合体
蝎毒含有多种蛋白质神经毒素。最可能伤害或杀死人类的神经毒素会附着在钠通道上。钠通道是嵌入神经细胞膜的大型蛋白质，使神经细胞能够放电。当钠通道受到干扰时，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。严重时，这可能导致心力衰竭和肺部积液，偶尔导致死亡。
目前有一些可用于蝎蜇伤的抗毒血清。它们通常使用免疫动物的抗体制成，这一过程可能需要数月。人们从数千只蝎子身上采集毒液，用于免疫马匹；随后科学家从马血中纯化由此产生的抗体。传统抗毒血清若及早使用可能有效，但通常只对少数神经毒素有效。它们生产成本高昂，而且在许多地区价格昂贵或供应短缺。
从头设计提供了一种潜在解决方案。结合蛋白是一种能紧密附着于特定靶标的分子；抗体就是一个天然例子。原则上，一种结合蛋白如果靶向神经毒素上与钠通道结合的部位，就可能阻止毒素到达通道。在从头设计中，蛋白质结合蛋白是针对特定靶标从零开始生成的。这些结合蛋白通过计算设计，并可针对效力和稳定性等类药性质进行优化，这可能使它们更容易在蜇伤最常发生的地区供应。
我们的方法受到早先一项工作的启发，该工作设计了可中和蛇神经毒素并保护小鼠的从头设计蛋白。据我们所知，尚未有针对蝎神经毒素的从头设计结合蛋白的报道。
在这项设计活动中，我们选择靶向来自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（PDB）以及 AlphaFold 数据库（AFDB），挑选了用于设计的毒素结构。对于每种毒素，它选择了五个热点，即毒素上其结合蛋白设计旨在结合的特定氨基酸位置。
我们主要想知道 Claude 能否设计针对单个毒素的结合蛋白。但我们也好奇 Claude 能否设计靶向多种毒素的结合蛋白。尝试设计多毒素结合蛋白有一个实际原因，即这会减少通用抗毒血清鸡尾酒所需的分子数量——这将成为最具成本效益且区域中立的治疗。我们选择这五种蝎毒素（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：它们整体蛋白形状共享一种折叠，但任意两种的氨基酸序列一致性仅为26%至62%。
为了看看 Claude 能走多远，我们要求它设计四类结合蛋白：分别针对五种毒素各自的结合蛋白；靶向β家族毒素 Ts1 和 Cn2 的结合蛋白；靶向α家族毒素 AaH II、AaH I 和 LqhIII 的结合蛋白；以及同时靶向全部五种毒素的结合蛋白。
Timothy P. Jenkins，丹麦技术大学副教授。
Claude 以相当大的自主性开展了设计活动
我们最初的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、评分和过滤规则。除了选择结构和氨基酸热点外，Claude 还设定了设计必须达到的质量阈值，决定了对每种可用设计工具的依赖程度，并制定了针对多种毒素设计结合蛋白的策略。
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，将每个配对的结构预测为一个复合物。在我们向 Claude 给出最初提示词64小时后，它产出了包含180个设计的最终列表。该设计活动使用了约10,000个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。其结果促使我们提示 Claude 继续其设计活动并寻找更好的设计。我们的后续提示词主要侧重于指示 Claude 设计一种多毒素结合蛋白。Claude 仅在我们的第三次后续提示后才选择了180个设计中的大多数——包括我们最强的结合蛋白（Cn2-B1）。应我们的要求，Claude 将蛋白质序列发送给了 Twist Bioscience（邮件表明这些序列由 Claude 撰写），该公司生产了这些蛋白质，以观察它们与毒素的结合效果。我们后来与 Claude 合作又添加了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，有17个符合我们对结合蛋白的标准，且每个都针对单一毒素。没有任何针对多种毒素的设计符合针对一种以上毒素的标准。（除了受其当前能力限制外，Claude 在这方面遇到困难可能有很多解释，包括我们的提示词、现有设计工具的局限性，甚至多毒素设计的生物学可行性。）有七个设计是针对 Cn2 的结合蛋白，四个针对 AaH II，四个针对 AaH I，两个针对 LqhIII。在60个单毒素设计中，有11个是结合蛋白（18%）。这一比率与典型的蛋白质设计活动一致，包括我们之前的工作。
在实验室中测试 Claude 的设计
完成项目后，我们将设计发送给 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 进行结合测试。两个团队分别在各自实验室生产了这些设计，但采用了不同形式。Adaptyv Bio 在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制，而非活细胞。Twist Bioscience 在哺乳动物细胞（此处为人肾细胞）中表达这些设计，并将其融合到 Fc（抗体的茎部）。这些是衡量底层结合过程的互补方法，我们将它们结合起来，以提高对结果的信心。
两家实验室都通过表面等离子体共振（SPR）测量结合，其中毒素流过设计分子，而 SPR 仪器实时追踪毒素结合到其上和解离的速度。所得曲线称为传感图，产生一种称为解离常数（KD）的测量值，用于衡量结合强度（或亲和力）。KD 越低，结合越紧密。
在评估所得设计时，我们为将某个设计判定为针对某种毒素的结合体设定了严格标准。该设计需要在两家实验室均为命中3——也就是说，它需要在每个重复中显示与该毒素结合的迹象，且每个 KD 都必须为 1 µM 或更强。我们还要求该设计对 CLEC12A 不显示信号；CLEC12A 是一种无关的人类蛋白，用于测量脱靶结合或“黏性”。
Claude 的 Cn2 结合体可能结合与一种毒素中和抗体相同的位点
抗体和纳米抗体仍然是从头设计需要超越的标准。已有三种此类分子报告了对 Cn2 或 AaH II 的亲和力（KD）低于 1 nM（纳摩尔），并已证明能保护小鼠免受蝎毒素伤害。
我们两个最强的结合体——我们称为 Cn2-B1 和 Cn2-B2——靶向 Cn2，这是一种来自墨西哥蝎 Centruroides noxius 的神经毒素。它们在 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 均紧密结合 Cn2，亲和力（KD）处于个位数纳摩尔范围。
要判断两种分子（例如，一种抗体和一种微型蛋白）是否结合靶标上的同一位点，一种方法是竞争实验；该实验检验两种结合体能否同时附着到靶标上。如果一种分子的存在降低了另一种分子的结合，那么它们很可能竞争同一结合位点。
我们的竞争实验表明，我们的每个 Cn2 结合体都附着在一种名为 LR 的抗体的同一表位（结合位点）上或附近；据报道，LR 能在小鼠中中和 Cn2。LR 的结合位点覆盖了 Cn2 中附着到钠通道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体 Cn2-B1 和 Cn2-B2，但它们与 LR 竞争这一事实表明，它们很可能中和 Cn2。
结合体只是开发抗毒血清的第一步
我们的结果仅显示针对重组毒素的结合；这些重组毒素是在实验室中根据每种毒素的基因培养出来的，而不是从毒液中纯化得到的。本研究最大的两个局限是，我们没有测试任何设计在体外（针对实验室培养的细胞）的中和能力，也没有测试其在体内（活体动物，如小鼠）的功效。
如果我们要将某个设计推进到疗法阶段，Cn2-B1 将是我们最强的候选之一。不过，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，以判断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体，看它是否真的能保护小鼠。除了中和毒素之外，治疗方法还必须安全、稳定、可负担，并能在发生蜇伤的地方获得。要惠及患者，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，以便其他研究人员能在我们的工作基础上继续推进。我们希望，这次对 Claude 能力的展示以及我们正在发布的数据，将有助于加速抗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进一步技术深度和更详细信息：
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