里程碑时刻来临! David Baker团队运用AI设计新抗体,有望进军全球数百亿美元的药物市场。

2024-03-20 生活常识 关注公众号
科研团队将AI用于蛋白质新药研发,尝试以“自我设计”模式创造出全新的抗体。这一领域的研究对于疾病治疗具有重要意义,有望使药物生产更加高效、经济。

撰文 | 王聪

| 王多鱼

排版 | 水成文

刚刚,蛋白质设计先驱 

David Baker

 

首次使用

生成式人工智能

(generative artificial intelligence)

从头设计出了全新的抗体

,这是一个里程碑时刻,标志着AI从头设计蛋白开始进入千亿美元的抗体药市场

抗体

(Antibody)

是蛋白质疗法的主要类型,目前全球已有超过160种抗体药获批上市,预计在未来五年内市场价值将达到4450亿美元。

尽管制药行业对此非常感兴趣,但治疗性抗体的开发仍然依赖于动物免疫或筛选抗体库来识别与目标靶点结合的候选分子。

这些方法耗时耗力,并且可能无法产生与治疗相关表位相互作用的抗体。

近年来,人工智能

(AI)在预测蛋白质结构,以及从头设计全新蛋白等领域取得了许多突破性进展。然而,使用AI从头设计结构精确的抗体仍然难以实现

这项研究代表了将AI蛋白质设计工具应用于制造全新抗体的重要一步。

研究团队表示,

AI能够简化当前昂贵且耗时耗力的抗体药开发工作,让抗体设计的能力民主化。十年后,AI将成为我们设计抗体的方式。

扩散模型

(diffusion model)

是一种生成式模拟方法,已经在图像和文本生成建模方面取得了相当大的成功,近年来爆火的AI绘画,就是基于扩散模型。而且,扩散模型似乎也适用于蛋白质设计。然而,扩散模型在应用于蛋白质建模时成功率却并不高,产生的序列基本不能折叠成目标结构,这可能是由于蛋白质主干几何形状和序列结构关系的复杂性。

2023年7月11日,David Baker 团队在 Nature 期刊发表了一篇题为:

De novo design of protein structure and function with RFdiffusion

的重磅研究论文

【2】

他们开发并描述了一种用于

从头设计全新蛋白质的深度学习方法——RFdiffusion,该方法能生成各种功能性蛋白质,包括在天然蛋白质中从未见过的拓扑结构。 

RFdiffusion

是对当前的蛋白质设计方法的一次综合改进,能从头设计总长度达600个氨基酸残基的蛋白,且实现了前所未有的复杂性和准确度。更重要的是,

RFdiffusion

可以设计出与目标蛋白结合的蛋白。但这种结合几乎完全依赖于

规则二级结构

(螺旋或链)与目标蛋白表位的相互作用,所以这些结合蛋白并不能算作抗体,

RFdiffusion也无法从头设计抗体

为了克服这一点,David Baker

团队对RFdiffusion模型进行了进一步修改。他们使用数千个经过实验确定的抗体结合到目标抗原蛋白的结构以及其他的抗体样分子的相互作用对RFdiffusion

模型进行训练,在此基础上进行微调

使

用调整后的

RFdiffusion

模型,研究团队设计了数千个抗体,这些抗体可以识别多种细菌和病毒的抗原蛋白的特定区域并与之结合,包括呼吸道合胞病毒

(RSV)的F蛋白

site III、流感病毒的血凝素、新冠病毒的S蛋白RBD、艰难梭菌的TcdB,以及几种癌症治疗药物的靶蛋白

(例如Her2、PD-L1、IL7Ra)。

然后,他们在实验室中合成了其中一些设计的抗体,并进一步测试了这些抗体是否可以与靶蛋白正确结合

试验结果显示,大约1%的从头设计的抗体可与目标蛋白成功结合并发挥作用,

研究团队使用冷冻电镜技术进一步确定了其中一种流感病毒抗体的结构,其设计达到了原子级精度,

并发现它识别了靶蛋白的预期部分

目前,已有少数几家公司

(例如Generate:Biomedicines)

开始使用生成式人工智能来帮助开发抗体药物。David Baker希望

RFdiffusion模型可以帮助解决具有挑战性的药物靶点,例如目前最主要的药物靶点类别——G蛋白偶联受体

(GPCR)

但需要指出的是,目前用RFdiffusion模型从头设计的

抗体距离进入临床还有很长的路要走,这些

设计的抗体与其靶蛋白的结合不是特别强。

任何用于治疗的抗体都需要对其序列进行修改,以使其类似于天然的人类抗体,以免引发免疫反应。该研究所设计的抗体是所谓的“纳米抗体”,类似于在羊驼和鲨鱼中发现的抗体,而不是当前绝大多数获批上市的抗体。纳米抗体天然缺失

轻链,只包含

一个重链可变区

(VHH)和两个常规的CH2与CH3区,结构更简单,因此也更容易设计和研究。

最后,研究团队表示,

这是一项原理证明工作,该工作的初步成功为从头设计抗体药物铺平了道路,

这像是一个里程碑时刻,证实了使用生成式人工智能从头设计全新抗体是可行的,有望开启

于结构的人工智能抗体设计新时

代。

论文链接:

1. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.14.585103v1

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台东一村落食物中毒致3死!涉事村民曝雨后捡蜗牛食用疑隐患 台东一村食物中毒案再起,涉事村民曝光蜗牛食物疑隐患 台东一村落食物中毒案:蜗牛误食疑致3死,官方发布预警

台东县村落今日(18日)日惊传因食用“蜗牛小米粽”而集体食物中毒事件,已有12人送医,其中3人死亡。记者了解到,早在去年就有群众发现一些蜗牛会咬断舌头,原因是含有的特殊物质可能引发人体肠胃不适,近年来已经有几次类似的病例发生。目前,相关部门正在对整个地区进行全面调查。

生活常识 09.18
年轻化的「老年病」?如何正确选择和搭配食物与饮品?别让牛奶变水了!

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上海举办健康大讲堂活动,邀请口腔科主任刘文娟医生现场讲解如何帮助儿童和青少年避免长牙和长个儿带来的口腔健康问题。家长可通过咨询医生或使用矫正器来纠正孩子的习惯。此外,健康饮食、充足的睡眠和适量的运动对于儿童和青少年的成长同样重要。需要注意的是,如今的中青年人群中,越来越多的人被诊断为骨关节疾病,这也应引起重视。

生活常识 09.18
应对以下3种常见现象警惕肝脏健康风险:早起出问题的信号可能暗示严重肝脏问题!

应对以下3种常见现象警惕肝脏健康风险:早起出问题的信号可能暗示严重肝脏问题!

快就医,以免延误病情。综上所述,早起时口臭口苦、乏力以及尿黄如茶可能是肝脏发出的警报。为了保障肝脏健康,建议大家养成良好的生活习惯,并定期体检。

生活常识 09.18
明智消费:你应避开的超市里的这8种廉价食品

明智消费:你应避开的超市里的这8种廉价食品

购买的绞肉。5、干煸豆角无论是在超市还是小摊位都能看到干煸豆角的身影,很多人觉得这道菜很好吃,价格也不贵,但却存在一些问题。首先,有些豆角没有去除里面的脏东西,导致食用后容易引起肠胃不适;其次,有些干煸豆角未经烹饪就直接上市销售,可能存在食品安全风险。综上所述,虽然干煸豆角的价格不高,但最好选择正规渠道购买,并确保食品质量。6、速冻饺子超市经常售卖各种速冻饺子,但是有人认为速冻饺子的质量无法保证。一方面,速冻饺子内包的面粉、调料等可能存在问题;另一方面,速冻饺子可能在运输过程中接触到有害物质,如抗生素残留等。因此,在购买速冻饺子时,最好选择信誉良好且具有正规检验报告的品牌。7、腌制的鱼肉超市里常常可以看到各类腌制鱼肉,有人认为这些鱼肉很新鲜,价格也很实惠。然而,仔细观察我们会发现,腌制鱼肉并非真正的新鲜。有的商家为了降低成本,可能会使用含有防腐剂的原料,甚至加入对人体有害的化学物质,长期食用这样的鱼肉,对人体健康构成威胁。因此,选择有良好口碑和严格检测体系的商家是最重要的。8、冰镇饮料市面上的大部分冰镇饮料都来自化工厂,可能会产生有害物质。此外,即使产品看起来很清凉,但里面添加的糖分也可能引发肥胖和其他健康问题。因此,购买冰镇饮料时,应优先选择瓶装或罐装的产品,尽量避免饮用街头小贩提供的现榨冷饮。总结来说,超市里的许多食物都存在着质量问题,消费者应该根据自身需求谨慎选择,避免购买或食用不符合食品安全标准的商品。

生活常识 09.18
离婚后学区房权责归属:法院如何判定双方抚养权的变更请求?

离婚后学区房权责归属:法院如何判定双方抚养权的变更请求?

男方孙某以自身无法有效照看孩子为由,起诉变更抚养权至女方陈某。法院驳回了他的诉求,判决由小孙跟随陈某生活。根据《最高人民法院关于适用<中华人民共和国民法典>婚姻家庭编的解释(一)》的规定,若一方主张抚养权,须有法定理由,否则将被驳回。

生活常识 09.18
全球视角:十张令人惊叹的‘世界级’满月照片

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2023年中秋节,“流浪的月球”越来越远,成为地球母亲最“大”的面子。此外,月球与地球同位素比例一致,相当于两人DNA相同,因此从地球出发,变成了离家的“游子”。本文作者探讨了月亮起源的种种可能性,以及人们从童年到成年的成长历程对月球的影响。

生活常识 09.18