
Rewolucja w medycynie tropikalnej: białka neutralizujące jad węży dzięki AI
Nowe białka, które nie występują w naturze, zostały zaprojektowane, aby neutralizować niektóre wysoce toksyczne składniki jadu węży. Metody głębokiego uczenia oraz obliczeniowe techniki projektowania tych białek neutralizujących toksyny dają nadzieję na opracowanie bezpieczniejszych, bardziej dostępnych i tańszych terapii niż te obecnie stosowane.
Każdego roku ponad 2 miliony ludzi doznaje ukąszeń węży. Według Światowej Organizacji Zdrowia ponad 100 tysięcy z nich umiera, a 300 tysięcy cierpi na poważne powikłania, takie jak deformacje kończyn, amputacje lub inne trwałe uszczerbki na zdrowiu. Ukąszenia jadowitych węży są szczególnie poważnym problemem zdrowotnym w Afryce Subsaharyjskiej, Azji Południowej, Papui-Nowej Gwinei oraz Ameryce Łacińskiej.
Prace nad nowymi lekami na ukąszenia węży, prowadzone przez naukowców z UW Medicine Institute for Protein Design oraz Technical University of Denmark, zostały opisane dziś, 15 stycznia, na łamach czasopisma Nature.
Główną autorką artykułu jest Susana Vazquez Torres z Wydziału Biochemii w UW School of Medicine oraz UW Graduate Program in Biological Physics. Vazquez Torres pochodzi z Querétaro w Meksyku, miasta położonego w pobliżu siedlisk żmij i grzechotników. Jej zawodowym celem jest opracowywanie nowych leków na choroby i urazy zaniedbywane przez przemysł farmaceutyczny, w tym na ukąszenia węży.
Zespół badawczy Vazquez Torres, który obejmował również międzynarodowych ekspertów w dziedzinie badań nad ukąszeniami węży, farmakologii, diagnostyki oraz medycyny tropikalnej z Wielkiej Brytanii i Danii, skupił się na neutralizacji jadu węży z rodziny zdradnicowatych (Elapidae). Do tej grupy należą m.in. kobry i mamby, zamieszkujące strefy tropikalne i subtropikalne.
Większość węży z rodziny zdradnicowatych posiada dwa małe kły przypominające cienkie igły. Podczas ukąszenia jadowite gruczoły znajdujące się z tyłu szczęki węża uwalniają jad. Wśród składników jadu znajdują się potencjalnie śmiertelne toksyny typu “trzy palce”. Te substancje chemiczne niszczą tkanki, zabijając komórki, a także zakłócają przekazywanie sygnałów między nerwami i mięśniami, co prowadzi do paraliżu i śmierci.
Obecnie ukąszenia zdradnicowatych są leczone przeciwciałami pochodzącymi z osocza zwierząt uodpornionych na jad węża. Produkcja takich przeciwciał jest kosztowna, a ich skuteczność wobec toksyn “trzy palce”(3FTx) jest ograniczona. Leczenie to może również powodować poważne skutki uboczne, takie jak wstrząs anafilaktyczny czy niewydolność oddechowa.
„Próby opracowania nowych leków były dotychczas powolne i żmudne” – zauważyła Vazquez Torres.
Czym jest uczenie głębokie?
Uczenie głębokie (ang. deep learning) to zaawansowana technika sztucznej inteligencji, która opiera się na sieciach neuronowych inspirowanych działaniem ludzkiego mózgu. Sieci te składają się z wielu warstw przetwarzających dane, gdzie każda warstwa analizuje informacje na coraz wyższym poziomie abstrakcji. Dzięki temu uczenie głębokie potrafi wykrywać wzorce w ogromnych ilościach danych, takich jak obrazy, dźwięki czy sekwencje genetyczne. W kontekście projektowania białek, głębokie uczenie pozwala modelować i przewidywać interakcje molekularne, co umożliwia tworzenie nowych struktur białkowych o określonych właściwościach. Ta metoda znacząco przyspiesza proces odkrywania leków i terapii, eliminując konieczność kosztownych i czasochłonnych eksperymentów laboratoryjnych.

Badacze zastosowali metody głębokiego uczenia, aby przyspieszyć proces poszukiwania lepszych terapii. Opracowali nowe białka, które hamowały neurotoksyczne i niszczące komórki właściwości toksyn typu “trzy palce”, wiążąc się z nimi.
Dzięki eksperymentalnym testom udało się zaprojektować białka o stabilności termicznej i wysokim powinowactwie wiązania. Syntezowane białka niemal idealnie odpowiadały na poziomie atomowym modelom zaprojektowanym komputerowo.
W badaniach laboratoryjnych zaprojektowane białka skutecznie neutralizowały trzy podrodziny toksyn “trzy palce”. Podane myszom białka chroniły je przed potencjalnie śmiertelną dawką neurotoksyny.
Zaplanowane białka mają kluczowe zalety. Mogą być produkowane w sposób powtarzalny i wysokiej jakości dzięki technologiom rekombinowanego DNA, zamiast poprzez immunizację zwierząt. (Technologia rekombinowanego DNA odnosi się w tym przypadku do laboratoryjnych metod, w których naukowcy tworzą zaprojektowane komputerowo białko na podstawie jego schematu).
Dodatkowo nowe białka są znacznie mniejsze od przeciwciał, co może ułatwić ich przenikanie do tkanek i szybkie neutralizowanie toksyn, ograniczając uszkodzenia.
Oprócz możliwości opracowania nowych antytoksyn, naukowcy uważają, że metody projektowania komputerowego mogą być wykorzystywane do opracowywania innych antidotów. Metody te mogą również przyczynić się do odkrywania leków na zaniedbywane choroby, które dotykają kraje o ograniczonych zasobach naukowych.
„Metodologia projektowania komputerowego mogłaby znacząco obniżyć koszty i wymagania zasobowe związane z opracowywaniem terapii dla zaniedbywanych chorób tropikalnych” – podkreślili badacze.
Głównymi badaczami w projekcie opracowania białek neutralizujących jad zdradnicowatych byli Timothy J. Perkins z Technical University of Denmark oraz David Baker z UW Medicine Institute for Protein Design i Howard Hughes Medical Institute. Baker jest profesorem biochemii w UW School of Medicine.
Uniwersytet Waszyngtoński zgłosił tymczasowy wniosek patentowy w USA dotyczący projektu i składu białek stworzonych w ramach tego badania.
Źródło: Nature
DOI: 10.1038/s41586-024-08393-x