ИИ разработал противоядие от токсинов кобры и гадюки
Ученые из Университета Вашингтона в Сиэтле с помощью ИИ-модели разработали мини-белки, способные блокировать действие токсинов, содержащихся в яде кобры, гадюки и других смертоносных змей.
Белки, созданные с помощью искусственного интеллекта, могут стать основой нового поколения препаратов для помощи при змеиных укусах, от которых ежегодно погибает около 100 000 человек и которые до сих пор лечатся так же, как и сто лет назад.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, является демонстрацией того, насколько машинное обучение повысило эффективность вычислительного проектирования белков. Задачи, на решение которых раньше уходили месяцы или годы, а многие оставались нерешенными долгие десятилетия, например, разработка нового белка, успешно блокирующего другой белок, — сегодня решаются за считанные секунды.
«Это немного пугает», — говорит Джозеф Джардин, иммунолог из исследовательского центра Scripps Research в Ла-Джолла, Калифорния. который не принимал участия в исследовании. — «Ученые прошли путь от "никто не знает, как это сделать" до экспериментальных работ, решающих реальную проблему, буквально за недели».
Методы лечения змеиных укусов мало изменились за более чем столетие — большинство из них основаны на антителах в сыворотке крови, взятой у лошадей и овец, иммунизированных змеиным ядом. Эти противоядия отличаются по безопасности и эффективности и должны вводиться в больнице специально обученным персоналом, что ограничивает их применение.
Тройная доза яда
Дэвид Бейкер, специалист по вычислительной биофизике из Университета Вашингтона в Сиэтле, не думал о разработке лекарств от змеиных укусов, когда в конце 2022 года его лаборатория представила программу RFdiffusion для создания белков, которая впоследствии стала главным инструментом для решения этой столетней проблемы.
Вдохновленная инструментами искусственного интеллекта для создания изображений, такими как DALL-E и Midjourney, программа оказалась способной разрабатывать небольшие белки-связки, которые прочно прикрепляются к целевым белкам, включая белки, связанные с раком и аутоиммунными заболеваниями.
Сусана Васкес Торрес, биохимик из лаборатории Бейкера задалась вопросом, может ли RFdiffusion улучшить лечение змеиных укусов. Поскольку змеиные яды состоят из различных белковых токсинов, которые вызывают паралич и повреждение тканей, белки, способные с ними связываться могли бы помочь их нейтрализовать.
Васкес Торрес, Бейкер и их коллеги использовали RFdiffusion для разработки «мини-связок», распознающих ключевые области трех видов токсинов, производимых змеями-элапидами — семейством, включающим кобр, мамб и гадюк.
Исследователи выявили мини-связки, которые прочно прикреплялись к токсинам змеиного яда. Дальнейшие эксперименты на лабораторных клетках показали, что мини-связки нейтрализуют действие тех компонентов яда, которые нацелены на нейротрансмиттеры, присутствующие в мышечных и нервных клетках. Это воздействие белков-токсинов и вызывает повреждение тканей.
Исследователи смешали полученные мини-связки и змеиные токсины и ввели мышам смертельную дозу. Но животные оказались защищены. В экспериментах, которые точнее имитировали укус змеи, исследователи вводили те же мини-связки через 15 минут после того, как животным вводили смертельную дозу токсина, но все животные выжили.
Спасательный круг
Пройдет еще немало времени, прежде чем разработанные ИИ белки превратятся в эффективные средства лечения змеиных укусов, но у них есть несколько преимуществ, говорят ученые. Созданные в лаборатории мини-связки, как правило, очень стабильны, поэтому для их использования, вероятно, не потребуется охлаждение, в отличие от существующих противоядий. Мини-связки можно будет производить по низкой цене, используя бактерии в промышленных установках.
Однако токсины, на которые нацелились ученые, являются лишь некоторыми компонентами ядов кобр и других элапидов. По словам Джозефа Джардина, эффективное противоядие должен блокировать целый класс токсинов, так называемых фосфолипаз. Васкес Торрес считает, что противоядие будет представлять собой коктейль из мини-связок, состав которого будет варьироваться в зависимости от яда змей, обитающих в тех местах, где противоядие будет применяться для спасения людей.
Команда Бейкера изучает, как довести разработанные ИИ противоядия до клинических испытаний. Цель состоит в том, чтобы любой человек, оказавшийся в опасных местах, имел с собой заряженный шприц с противоядием и мог ввести себе спасительную дозу сразу после укуса. До этого еще далеко, но ученые считают, что эта цель вполне достижима.