Anthropic 发布 Claude 设计蝎毒蛋白结合剂数据集

**摘要：**作为我们探索 Claude 如何加速药物发现工作的一部分，我们要求一个内部研究模型针对蝎子神经毒素设计迷你结合蛋白（minibinders）*（即能紧密附着于靶点的小型蛋白质）。Claude 基于我们的提示词以及我们与金融投资研究机构 Citrini Research 合作开发的四个后续指令开展工作。Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 的团队对 211 种设计进行了结合实验测试。其中，有 17 种符合我们的标准。我们将发布全部 211 种设计及其数据，以供该领域参考。

去年八月，我们展示了 Claude 如何在仅接收单个提示词的情况下设计蛋白质迷你结合蛋白。在发布这些结果的一个月前，来自 Citrini Research 的一个团队向我们提出了一个有趣的问题：Claude（以及更广泛的 AI 药物发现技术）能否让一群充满热情但非专业的普通人解决人类健康领域的真实问题？我们生命科学团队的成员着手回答这个问题，首先通过与 Claude 进行头脑风暴来寻找切入点。最终，我们决定请求 Claude 协助设计针对蝎子神经毒素的新型蛋白质结合剂，希望它们未来能用于开发抗蝎毒血清。

每年有超过 120 万人被蝎子蜇伤，导致 3,250 多人死亡，死者大多为医疗资源匮乏地区的儿童。新疗法的制造成本高昂，且往往难以收回研发成本。由于投入极少，蝎子中毒已被 描述为一种被忽视的热带疾病。

我们首先向 Claude 提供了与之前蛋白质结合剂研究中相同的提示词，并在 Citrini 的建议下对其进行了修改。1 在接下来的 64 小时内，一个运行在 Claude Science 环境中的内部研究模型主要自主开展工作，尽管我们通过四个后续指令对其进行了引导。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 的设计活动生成了 17 种蛋白质结合剂，每种都能结合四种已知对人类有害的蝎子神经毒素中的一种。在整个过程中，Claude 生成了 318,484 个蛋白质设计，并从中筛选出 180 个进行测试。我们的团队在 Claude 的协助下又增加了 31 个设计。我们的合作伙伴 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience（两家合同研究组织，CROs）对所有 211 个设计进行了实验室测试，以验证它们是否能与目标毒素结合，最终有 17 个设计达到了我们设定的结合剂标准。我们尚未确认这些结合剂能否在细胞环境中中和蝎毒，因此我们不声称已生产出抗蛇毒血清。

我们将 Claude 的工作成果发送给了两位外部专家 Susana Vázquez Torres 和 Timothy P. Jenkins，他们认为这项工作是一个充满希望的第一步。如果 AI 现在能在几天内设计出针对几种难以靶向毒素的可信结合剂，并且能在几周内通过实验室验证，这在理论上可以加速对中毒及其他被忽视疾病的治疗发现。挑战始终在于如何将这些结合剂转化为安全、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，并正在公开所有 211 个设计及其数据。

针对几乎任何靶点设计结合剂似乎不再是不切实际的。我们现在能够以惊人的速度获得高亲和力的结合剂，而结合本身不再是主要瓶颈。对于蛇类和蝎类等有毒动物而言，其咬伤和蜇伤会导致大量人员死亡或重伤，尤其是在服务不足的地区，真正的影响将来自于解决治疗管线中超越“结合”这一环节的问题。挑战在于利用这些非凡的工具开发出能够成为真正药物的分子，即安全、可负担且广泛可及的药物。

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。

针对四种蝎子的五种毒素设计从头 (de novo) 结合剂

蝎毒含有多种蛋白质神经毒素。最可能伤害或致人死亡的神经毒素会附着在钠离子通道上——这是一种嵌入神经细胞膜中的大型蛋白质，使神经细胞能够产生电信号（放电）。当钠离子通道功能紊乱时，神经会在错误的时间放电，从而释放大量的应激化学物质，如肾上腺素。在严重情况下，这可能导致心力衰竭和肺部积液过多，偶尔会导致死亡。

目前已有针对蝎子蜇伤的抗蛇毒血清（抗蝎毒血清）。这些血清通常利用经过免疫的动物产生的抗体来制备，这一过程可能需要数月时间。科学家从数千只蝎子中提取毒液，用于给马匹进行免疫；随后从马血中纯化出产生的抗体。传统的抗蝎毒血清如果在早期给药可以发挥作用，但通常仅对少数几种神经毒素有效。此外，其生产成本高昂，在许多地区价格昂贵或供应短缺。

从头设计（De novo design）提供了一种潜在的解决方案。结合剂（binder）是一种能紧密附着于特定靶标的分子；抗体就是一个天然的例子。原则上，一种靶向神经毒素中与钠离子通道结合部分的结合剂，可以阻止毒素到达通道。在从头设计中，蛋白质结合剂是针对特定靶标从零开始生成的。这些结合剂通过计算手段设计，并可针对药物样特性（如效力和稳定性）进行优化，这可能使其更容易在蜇伤高发的地区获得供应。

我们的方法灵感来源于一项早期的研究，该研究设计了从头生成的蛋白质，用于中和蛇类神经毒素并保护小鼠。据我们所知，此前尚未报道过针对蝎子神经毒素的从头设计结合剂。

在本次项目中，我们选择针对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）。我们还决定将设计目标对准每种毒素的通道结合位点。Claude 通过搜索蛋白质数据库（PDB）和 AlphaFold 数据库（AFDB），挑选了用于设计的毒素结构。对于每种毒素，它选定了五个热点（hotspots），即毒素上特定的氨基酸位置，旨在让设计的结合剂附着于这些位置。

我们主要想知道 Claude 能否针对单个毒素设计结合剂。但我们也好奇 Claude 能否设计针对多种毒素的结合剂。尝试设计多毒素结合剂有一个实际原因，即这将减少通用抗蛇毒血清鸡尾酒疗法所需的分子数量——这将是成本效益最高且不受地域限制的治疗方案。我们选择了以下五种蝎子毒素（Cn2、Ts1、AaH I、AaH II 和 LqhIII）作为多毒素设计的挑战性测试：它们共享一种蛋白质整体形状的折叠结构，但任意两种之间的氨基酸序列相似度仅为 26% 到 62%。

为了了解 Claude 的能力边界，我们要求它设计四种类型的结合剂：分别针对五种毒素中每一种的结合剂；针对 β-家族毒素 Ts1 和 Cn2 的结合剂；针对 α-家族毒素 AaH II、AaH I 和 LqhIII 的结合剂；以及同时针对所有五种毒素的结合剂。

在短短几天内并行设计出针对五种毒素的可靠结合剂，充分展示了我们在治疗药物发现领域所见证的由 AI 驱动的范式转变。这对于动物咬伤/蜇伤等被忽视的疾病尤为真实，由于商业激励不足，这些疾病长期缺乏创新。能够以代理式（agentic）方式应对动物毒素这一独特而广泛的目标空间，显著加速了发现过程，并使现实可行的治疗方案触手可及。

Timothy P. Jenkins，丹麦技术大学副教授。

Claude 以高度的自主性执行了设计任务

我们的初始提示词定义了神经毒素靶点、蛋白质设计与折叠工具，以及关于新颖性、评分和筛选的规则。除了选择结构和氨基酸热点外，Claude 还设定了设计方案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剂的策略。

最终，Claude 使用了 12 种设计工具生成了 318,484 个设计方案，并过滤掉任何与毒素或已知蛋白质相似的设计。Claude 对 553,052 个“设计-毒素”配对进行了共折叠（co-folded）和筛选，将每个配对预测为一个复合物的结构。在我们向 Claude 提供初始提示后的 64 小时，它输出了包含 180 个设计的最终列表。此次活动大约消耗了 10,000 GPU 小时。2

在收到我们的第一个提示后，Claude 自主工作了 24 小时。其结果促使我们继续提示 Claude 推进该活动，以寻找更优的设计方案。我们的后续提示主要侧重于指导 Claude 设计一种多毒素结合剂。直到第三次后续提示后，Claude 才选定了这 180 个设计中的大部分——包括我们最强的结合剂（Cn2-B1）。应我们的要求，Claude 将蛋白质序列发送给了 Twist Bioscience（邮件中注明这些序列由 Claude 编写），该公司生产了这些蛋白质，以测试它们与毒素的结合效果。随后，我们与 Claude 合作增加了另外 31 个设计，使总设计数达到 211 个：其中 60 个针对单一毒素（每种毒素 12 个），30 个针对两种 β 家族毒素，30 个针对三种 α 家族毒素，以及 91 个针对全部五种毒素。

在我们团队评估的 211 个设计中，有 17 个符合我们对结合剂的判定标准，且每个都仅针对单一毒素。没有任何针对多种毒素的设计满足我们对多个毒素的结合标准。（除了受限于当前的能力外，导致 Claude 在此方面表现不佳的原因可能有很多，包括我们的提示方式、现有设计工具的局限性，甚至多毒素设计在生物学上的可行性。）在这 17 个成功的设计中，有 7 个是针对 Cn2 的结合剂，4 个针对 AaH II，4 个针对 AaH I，2 个针对 LqhIII。在 60 个针对单一毒素的设计中，有 11 个是结合剂（占比 18%）。这一比率与典型的蛋白质设计活动相符，也与我们之前的工作结果一致。

在实验室中测试 Claude 的设计

完成实验后，我们将设计方案发送给 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 进行结合测试。每个实验室都在其内部生成了这些设计，但采用了不同的格式。Adaptyv Bio 使用无细胞系统表达这些设计，该系统利用从细菌中提取的蛋白质合成机制，而非活细胞。Twist Bioscience 则在哺乳动物细胞（此处为人肾细胞）中表达这些设计，并将其与 Fc（抗体的茎部结构）融合。这两种方法在测量底层结合过程方面具有互补性，我们将二者结合以提高结果的可信度。

两家实验室均通过表面等离子体共振（SPR）测量结合情况。在该过程中，毒素流经设计分子，而 SPR 仪器实时追踪毒素与设计分子结合及解离的速度。由此产生的曲线称为传感图（sensorgram），可得出一个名为解离常数（KD）的测量值，该值用于衡量结合强度（或亲和力）。KD 越低，结合越紧密。

在评估最终设计时，我们制定了严格的标准来判定某个设计是否为针对特定毒素的结合剂。该设计必须在两家实验室3中均被认定为命中——即它在每一次重复实验中都必须显示出对该毒素的结合证据，且每一个 KD 值都必须达到 1 µM 或更优。此外，我们还要求该设计对 CLEC12A（一种用于测量脱靶结合或“粘性”的非相关人类蛋白）不显示任何信号。

Claude 设计的 Cn2 结合剂可能通过与中和抗体相同的位点结合

抗体和纳米抗体仍然是从头设计（de novo designs）需要超越的标准。已有三种此类分子报道其对 Cn2 或 AaH II 的亲和力（KD）低于 1 nM（纳摩尔级），并已被证明能保护小鼠免受蝎子毒素侵害。

我们最强的两个结合剂命名为 Cn2-B1 和 Cn2-B2，它们靶向 Cn2，这是一种来自墨西哥蝎子 Centruroides noxius 的神经毒素。它们在 Adaptyv Bio 和 Twist Bioscience 两处均与 Cn2 紧密结合，亲和力（KD）处于个位数纳摩尔范围。

确定两个分子（例如抗体和迷你蛋白）是否结合靶点的同一位点的一种方法是进行竞争实验，该实验测试两种结合剂能否同时附着于靶标。如果存在其中一个分子会降低另一个分子的结合能力，则表明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 Cn2 结合剂各自附着在与名为 LR 的抗体相同或附近的表位（结合位点）上，已有报道指出该抗体在小鼠体内可中和 Cn2。LR 的结合位点覆盖了 Cn2 中与钠离子通道结合并导致神经异常放电的部分。我们尚未在细胞环境或活体动物中测试我们最强的结合剂 Cn2-B1 和 Cn2-B2，但它们与 LR 存在竞争关系这一事实表明，它们很可能能够中和 Cn2。

结合剂只是开发抗蛇毒血清的第一步

我们的结果仅显示了对重组毒素的结合能力，这些毒素是在实验室中通过各毒素基因培育而成，而非从毒液中纯化获得。本研究最大的两个局限性在于：我们未在任何设计方案上进行体外（针对实验室培养的细胞）中和测试，也未进行体内（在活体动物如小鼠中）疗效评估。

如果我们要将某一设计方案推进至疗法阶段，Cn2-B1 将是我们最有力的候选者之一。但首先，我们需要确认该设计也能结合从毒液中纯化的毒素。随后，我们将使用膜片钳记录法（该技术可测量通过钠离子通道的电流）在体外评估其功能，以观察它是否能阻止毒素作用于通道。接着，我们需要在小鼠身上测试该结合剂，以验证其是否真正提供保护。除了中和毒素外，一种疗法还必须安全、稳定、价格低廉，并在发生蜇伤的地区易于获取。要让患者受益，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 种设计及其结合数据，以便其他研究人员在此基础上开展工作。我们希望 Claude 能力的这一展示，连同我们发布的数据，能够有助于加速抗蛇毒血清设计的进一步研究。