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参考(kao)消息网2月12日报道据美国《大众科学》杂(za)志网站1月15日报道，科学家(jia)利用人工智能（AI）创造出(chu)全(quan)新的抗(kang)蛇毒蛋白质。
报道称，据世界卫生组织估(gu)计(ji)，每年有超过10万人被蛇咬伤致死，还有数十万人永久致残。借助尖端技术实(shi)现的前沿科学有望帮助减轻这一威(wei)胁。
根据一项1月15日发表在《自然》杂(za)志上的研究，研究人员利用一套人工智能工具，成功设计(ji)出(chu)两种蛋白质以中和一些最致命的蛇毒毒素。在实(shi)验室实(shi)验中，将这些“全(quan)新的”蛋白质(自然界中不存在的分子)与致命的蛇毒化合物混合后(hou)注射，能避免100%的实(shi)验小(xiao)鼠死亡。
该研究论文(wen)的主要作者苏珊娜·巴斯克斯·托雷斯说：“我(wo)认为，我(wo)们可以彻底改变(蛇咬伤的)治疗方法。”巴斯克斯·托雷斯是一名生物化学家(jia)，她在华盛顿(dun)大学戴维·贝(bei)克实(shi)验室攻(gong)读博(bo)士学位期间完成了这项研究。贝(bei)克因创造新蛋白质而荣获2024年诺贝(bei)尔化学奖。本周发表的这项研究是该研究方向的延续。巴斯克斯·托雷斯告诉《大众科学》杂(za)志：“当然，这项研究并没有完全(quan)解决问(wen)题，但它表明，与传统(tong)方法相比，我(wo)们能超快(kuai)速地合成分子，而且这种方法有效。”她还说，这一策略有望带来比现有的更便(bian)宜(yi)、更安全(quan)且更有效的治疗方案。
斯克里普斯研究所的免疫学与微生物学助理教授约(yue)瑟夫·贾丁说：“这是了不起的研究成果。”贾丁未参与这项新研究，但此(ci)前曾发表针对同类化合物合成抗(kang)蛇毒血清的研究。他表示，这项新研究既展示了近年来在人工智能迅速发展的推动下，蛋白质设计(ji)取得了多大的进展，同时(shi)也是医学领域一项令人振(zhen)奋的实(shi)际进步。
尽管蛇咬伤造成了严重后(hou)果，但一个多世纪以来，蛇咬伤的治疗方法一直未变，仍然是从接种了亚致死量(liang)蛇毒的马或其他动物身上采集抗(kang)体。这些抗(kang)蛇毒血清能挽救(jiu)生命，但也存在一些严重缺陷。
其一，它们价格昂贵且制作困难，因为生产过程(cheng)需(xu)要饲养大量(liang)动物。其二，质量(liang)参差不齐，由于依赖不完美的免疫系(xi)统(tong)，产生的效果也不稳定，而且抗(kang)蛇毒血清对某些毒素的效果往(wang)往(wang)优于对其他毒素，因此(ci)只能部分中和蛇毒这种复杂(za)混合物中最小(xiao)的成分，对某些蛇类咬伤的治疗效果不佳。它们还可能在接受者身上引发过敏反应及其他不良副作用。而且，由于传统(tong)抗(kang)蛇毒血清是生物制品，对温度非常敏感，储存和运输(shu)都需(xu)要冷藏，导致成本更高，也更难获得。在蛇咬伤尤为常见的南半球发展中国家(jia)的农村地区，这种治疗方法尤其难以获得。
相比之下，新设计(ji)的蛋白质能在更大的温度范围内保持(chi)稳定，有望利用酵(jiao)母等微生物进行大规模生产，引发的副作用可能更少，而且更容易进行微调并保持(chi)性能稳定。贾丁解释说：“这些全(quan)新设计(ji)的小(xiao)蛋白质具有许多十分有趣的优势，包括热稳定性、制造成本较低，能以抗(kang)体可能无法实(shi)现的方式靶向特(te)定物质。”他还提出(chu)，有朝一日，这类产品也许能通(tong)过类似“肾上腺素笔(bi)”的装置来给药(yao)，在最需(xu)要的地方随时(shi)可用。
蛇毒由多种不同毒素混合而成。巴斯克斯·托雷斯及其同事将研究工作聚焦于三指毒素(3FTx)，传统(tong)抗(kang)蛇毒血清往(wang)往(wang)难以有效对抗(kang)这类致命化合物。三指毒素在眼(yan)镜蛇科蛇类的毒液(ye)中尤为显著，该科蛇类包括眼(yan)镜蛇、曼巴蛇和珊瑚蛇。这些毒素(本身就是蛋白质)会在哺乳动物体内大肆破坏。有些是导致瘫(tan)痪的神经毒素，另一些则会破坏细胞、损伤组织。
科学家(jia)试(shi)图找出(chu)能对抗(kang)三种典型目标毒素的解毒蛋白质：一种短链α神经毒素、一种长链α神经毒素，以及一种细胞毒素。这三种典型毒素都已得到充分研究，所以科学家(jia)从一开始就知道它们的复杂(za)结构。基于此(ci)，他们能确定要使每种毒素失(shi)去活性所需(xu)阻断的关(guan)键结合位点。他们将这些信息输(shu)入(ru)第(di)一个名为“罗塞塔(ta)折叠扩散(san)”的人工智能工具中，这是一种类似于达尔-E和米德朱尼实(shi)验室等推出(chu)的图像生成器模型，但它经过专门训练，能根据设定的标准输(shu)出(chu)蛋白质结构的模拟图。在这个案例中，设定的标准就是毒素结构以及研究人员希望阻断的选定结合“热点”。人工智能提供了数十种中和蛋白质的建议(以蛋白质构型的详细图像形式呈现)，这些蛋白质可能填充那些结合位点，就像为神秘的锁(suo)配制钥匙。
为了更深入(ru)了解这些理论上的蛋白质并解析其构成，巴斯克斯·托雷斯、贝(bei)克及其他论文(wen)作者采用了第(di)二种生成式人工智能模型——ProteinMPNN。该模型经过训练，能生成可行的氨(an)基酸组合，这些氨(an)基酸可以折叠在一起，复制扩散(san)模型的输(shu)出(chu)结果。蛋白质折叠过程(cheng)极为复杂(za)，通(tong)常仅从氨(an)基酸序列很难预测，反之，要知道哪种氨(an)基酸序列会形成何种折叠形状也颇具挑战(zhan)。ProteinMPNN加快(kuai)了这一计(ji)算过程(cheng)。接下来，研究人员使用了第(di)三种预测性人工智能工具“阿尔法折叠2”，独立预测每一种氨(an)基酸序列实(shi)际会如何折叠，以此(ci)对前两个模型的工作进行双重验证。在每一步之间，研究人员凭借自身专业视角(jiao)，筛除不理想(xiang)的结果，将候选范围缩小(xiao)至最佳选项。
研究人员将最有潜力的氨(an)基酸链反向翻(fan)译为DNA序列，然后(hou)利用经过改造的细菌大量(liang)生产这些蛋白质。他们在培养皿中用人的肌(ji)肉和皮(pi)肤细胞对最有希望的候选蛋白质进行了一系(xi)列实(shi)验，发现这些蛋白质对所有三种重点研究的毒素均有效。这进一步缩小(xiao)了范围，每个类别只剩下一个最有竞(jing)争力的候选者。科学家(jia)在一系(xi)列小(xiao)鼠实(shi)验中对这些候选者逐一进行了测试(shi)。
在最初的测试(shi)中，他们的抗(kang)细胞毒素候选蛋白质并未减轻与蛇毒中毒相关(guan)的皮(pi)肤损伤，因此(ci)研究人员停(ting)止了对它的测试(shi)。但另外两种候选蛋白质被证明效果要好得多。当与目标毒素直接混合并注射到小(xiao)鼠体内时(shi)，两种抗(kang)神经毒素蛋白质都避免了所有小(xiao)鼠死亡(如果不添加这些保护蛋白质，100%的小(xiao)鼠会死亡)。
为了模拟治疗蛇咬伤的过程(cheng)，科学家(jia)接着测试(shi)了先给小(xiao)鼠注射一种毒素，之后(hou)再注射候选蛋白质的情况。其中一种蛋白质拯救(jiu)了接受注射的所有小(xiao)鼠，即使在注射毒素30分钟后(hou)给药(yao)依然有效。另一种蛋白质在毒素注射15分钟后(hou)给药(yao)，能使80%的小(xiao)鼠存活，30分钟后(hou)给药(yao)，存活率为60%。
巴斯克斯·托雷斯说：“看到这些蛋白质直接在动物身上发挥作用，太令人震惊(jing)了。我(wo)们甚至无需(xu)进行任(ren)何优化。”她说：“第(di)一次尝试(shi)就找到有效的东西，这太不可思(si)议了。”此(ci)外，得益于人工智能的计(ji)算助力，这项研究从提出(chu)想(xiang)法到提交(jiao)发表数据，仅仅用了大约(yue)一年。“我(wo)觉(jue)得这对任(ren)何科学论文(wen)而言，都是创纪录的速度。”她说，这充分展示了机器学习(xi)能在多大程(cheng)度上加速研究进程(cheng)。
这些研究成果只是近期抗(kang)蛇毒血清研究一系(xi)列新进展(比如贾丁的合成抗(kang)体，以及重新利用的药(yao)物)中的最新成果。2017年，世界卫生组织将蛇咬伤列为“被忽视热带疾病”并将其作为重点，呼吁加大投资并提升公共卫生关(guan)注度。此(ci)后(hou)，相关(guan)研究源(yuan)源(yuan)不断。贾丁说：“这为我(wo)们解决问(wen)题又增加了一种工具。(这些蛋白质)将具有抗(kang)体不具备的独特(te)应用，反之亦然。”
然而，在全(quan)新设计(ji)的蛋白质获批(pi)用于人体之前，还有很长的路要走。虽(sui)然小(xiao)鼠实(shi)验没有显示出(chu)任(ren)何明显的副作用，但这些蛋白质在人体内的作用方式以及它们是否真的安全(quan)，仍不得而知。巴斯克斯·托雷斯和贾丁都指出(chu)，它们是全(quan)新的分子，需(xu)要针对脱靶反应和不良反应进行广泛的筛选与测试(shi)。巴斯克斯·托雷斯说：“我(wo)们需(xu)要证明这些分子是安全(quan)的。我(wo)们必须真正了解它们的作用机制。”任(ren)何一种经设计(ji)的蛋白质抗(kang)蛇毒血清要进入(ru)市场，都还需(xu)要很多很多年。
即使真的进入(ru)市场，巴斯克斯·托雷斯及其同事发现的这些蛋白质也还不够(gou)。它们只能应对特(te)定蛇毒中的两种特(te)定毒素。巴斯克斯·托雷斯说，可能需(xu)要将大约(yue)十种精心(xin)设计(ji)的蛋白质混合在一起，才能中和全(quan)部蛇毒。在寻找广谱或通(tong)用抗(kang)蛇毒血清的道路上，科学家(jia)仍在探索。
尽管如此(ci)，利用微生物按需(xu)大量(liang)生产自然界中原本不存在的全(quan)新蛋白质，这一前景(jing)让科学家(jia)兴奋不已。而且这种兴奋并不局限于抗(kang)蛇毒血清领域。有朝一日，全(quan)新设计(ji)的蛋白质或许能为各类疾病带来替代性疗法。这些氨(an)基酸构成的物质介于生物药(yao)(从生物体中制造或提取)与阿司匹林(lin)这类小(xiao)分子化学合成药(yao)之间。贾丁说：“你可以想(xiang)象，这能解决大量(liang)用传统(tong)方法无法解决的问(wen)题。这是一种全(quan)新的策略，而我(wo)们才刚刚触及皮(pi)毛。”（编译/刘(liu)白云）
2016年5月17日，在泰国曼谷梭瓦帕王后(hou)纪念研究所内设的蛇类博(bo)物馆，一名工作人员为参观者演(yan)示取蛇毒。（新华社）