Нейросети против змеиного яда: новый способ спасать жизни

В последние годы ИИ успешно решает задачу предсказания трехмерной структуры белков – сложных молекул, необходимых для жизни. Теперь исследователи придумывают, как применить эти технологии на практике. Например, спасти человека после змеиного укуса.

В работе участвовал Дэвид Бейкер из Университета Вашингтона, получивший в декабре Нобелевскую премию. Его команда продемонстрировала , как современные компьютерные инструменты позволяют решать задачи, которые раньше казались практически невыполнимыми.

Змеиный яд представляет собой сложнейшую смесь токсинов, в основном белковой природы. При укусе они атакуют организм сразу по нескольким фронтам: одни вещества разрушают клетки, другие блокируют передачу нервных сигналов, третьи вызывают внутренние кровотечения. Сейчас врачи борются с отравлением с помощью антител – защитных белков, которые связывают вредоносные клетки и не дают им действовать. Для получения антител животным вводят небольшие дозы яда - достаточные, чтобы вызвать иммунный ответ, но недостаточные для смертельного исхода.

Главная проблема традиционных противоядий – их нестабильность. Антитела требуют постоянного охлаждения и даже в рефрижераторе сохраняют активность лишь ограниченное время. Для производства новых партий лекарства приходится регулярно делать инъекции животным и брать у них кровь. Процесс получается долгим, дорогим и не слишком гуманным.

Цель была в том, чтобы найти антителам альтернативу – создать белки меньшего размера и с более простой структурой. В этом случае их можно было бы синтезировать в бактериях, а готовое лекарство, вероятно, не нуждалось бы в холодильнике. Последнее особенно важно, поскольку большинство змеиных укусов происходит в сельской местности и дикой природе, вдали от медицинских центров.

Ученые сфокусировались на одном семействе ядовитых белков – трехпальцевых токсинах. Название они получили из-за своей необычной пространственной структуры: три цепочки аминокислот располагаются параллельно друг другу, образуя характерный узор, напоминающий три пальца. В биохимии такие структуры называют антипараллельными бета-слоями. Трехпальцевые токсины входят в состав яда самых опасных змей планеты – мамб, тайпанов и кобр.

Несмотря на относительно простое строение, они способны наносить два принципиально разных типа повреждений. Часть молекул разрушает мембраны клеток, буквально продырявливая их, что приводит к массовой гибели тканей. Другие блокируют рецепторы ацетилхолина – важнейшего нейромедиатора, который передает сигналы между нервными клетками. Наступает паралич мышц, включая дыхательные.

Поскольку механизмы действия патогенов различаются, ученые разработали защиту от каждого типа отдельно. Для создания белков-нейтрализаторов был задействован целый арсенал ИИ-инструментов: RFdiffusion, созданный на основе известного алгоритма Rosetta Fold, специализированную программу ProteinMPNN и знаменитую AlphaFold 2 от компании DeepMind.

Сначала RFdiffusion спроектировала структуры белков, которые могли бы блокировать бета-слои – те самые 'пальцы' ядовитой молекулы, отвечающие за её связывание с нервными рецепторами. Затем ProteinMPNN определил последовательности аминокислот, из которых должны состоять новые белки, чтобы принять нужную форму.

На следующем этапе AlphaFold 2 и программа Rosetta рассчитали силу взаимодействия между спроектированными белками и токсином. Из 44 вариантов, предложенных компьютером, ученые выбрали формулы с наиболее высокими показателями связывания. Затем они снова обратились к RFdiffusion, чтобы создать модификации с еще более сильным сродством к ядовитому элементу. Около 15% предложенных вариантов действительно показали улучшенные характеристики.

Чтобы проверить точность компьютерных прогнозов, команда использовала бактерии для производства обоих компонентов – и токсина, и белка-нейтрализатора. Изучив структуру их комплекса, специалисты убедились, что предсказания алгоритмов поразительно точны – молекулы взаимодействовали именно так, как рассчитала программа.

В экспериментах на мышах новый белок продемонстрировал впечатляющие результаты. Он полностью защищал животных от действия яда, если его количество в пять раз превышало количество токсина. Еще важнее то, что белок сохранял эффективность даже при введении через 30 минут после отравления – правда, в этом случае его требовалось в 10 раз больше. Такой сценарий ближе к реальным условиям, ведь помощь почти никогда не приходит мгновенно.

С токсинами второго типа – теми, что разрушают клеточные мембраны – ситуация оказалась сложнее. Они особенно опасны, поскольку входят в состав секрета плюющих кобр, способных поражать жертву на расстоянии. Были созданы белки, хорошо связывающиеся с ядом, но в опытах на мышах они не предотвращали повреждение тканей. Это лишь говорит о том, что механизм разрушения мембран пока не до конца изучен – возможно, специалисты пытались заблокировать не те участки.

Пока работа носит экспериментальный характер. Змеиный яд – чрезвычайно сложная смесь, содержащая десятки различных токсинов, а ученым удалось нейтрализовать только два из них. Более того, созданные препараты обладают высокой избирательностью: антитоксин, эффективное против яда одного вида змей, может не подействовать на токсины даже близкородственного вида.

Тем не менее исследование в очередной раз доказало потенциал искусственного интеллекта в биологии и медицине. Еще несколько лет назад было практически невозможно предсказать структуру белка, который бы эффективно связывался с заданной молекулой патогена. А на экспериментальную доработку даже удачных начальных идей уходили месяцы или годы лабораторных исследований. Теперь все эти расчеты можно выполнить на компьютере за считанные дни или недели.