Sztuczna inteligencja projektuje białka neutralizujące jad węży

Białka zaprojektowane przy użyciu sztucznej inteligencji mogą neutralizować śmiertelne toksyny obecne w jadzie węży, oferując bezpieczniejsze, skuteczniejsze i tańsze metody leczenia ukąszeń tych gadów.

Badania prowadzone przez Davida Bakera – ubiegłorocznego laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, który został uhonorowany „za projektowanie białek z wykorzystaniem metod obliczeniowych”, dają nadzieję na przełom w leczeniu ukąszeń węży. Naukowcy pod kierunkiem noblisty opracowali innowacyjne białka zdolne do neutralizacji śmiertelnych toksyn znajdujących się w jadzie węży.

Opis oraz rezultaty badań ukazały się w czasopiśmie „Nature” (DOI: 10.1038/d41586-025-00133-z).

Jad węży

Jad to koktajl białek, które zwierzęta wykorzystują do unieruchamiania i zabijania ofiar, a także do samoobrony. Występuje u wielu różnych zwierząt: meduz, pająków, skorpionów, węży, a nawet niektórych ssaków. Wprowadzany jest do organizmu ofiary za pomocą zębów, kolców lub żądeł. 

Jad węży to mieszanka dziesiątek, a nawet setek związków, które atakują komórki nerwowe, tkanki lub wpływają na krzepnięcie krwi. Każdego roku ponad 100 tys. osób na całym świecie ginie po ukąszeniu węża. Większość przypadków śmiertelnych ma miejsce w Afryce, Azji i Ameryce Łacińskiej, gdzie dodatkowo słaba opieka zdrowotna pogarsza problem.

Standardowym leczeniem po ataku węża są antytoksyny. Chociaż leki te ratują życie, powodują też wiele problemów. Jad węży znacznie różni się w zależności od gatunku. Dlatego forma leczenia zależy od tego, jaki wąż odpowiada za ukąszenie. Problem w tym, że w wielu przypadkach nie wiadomo, który to gatunek węża. Ale jad może się różnić nawet w obrębie tego samego gatunku. Chociażby antytoksyna stosowana po ukąszeniu kobry nepalskiej (Naja kaouthia) jest w niektórych regionach Indii nieskuteczna. Z drugiej strony wiele antytoksyny działa przeciwko kilku gatunkom węży z tego samego regionu, ale mają słabe działanie przeciwko innym wężom.

Antytoksyny są obecnie wytwarzane w taki sam sposób, jak sto lat temu – poprzez wstrzykiwanie zwierzętom domowym niewielkiej dawki jadu, a następnie pobieraniu krwi zwierzęcia, oczyszczaniu jej i zbieraniu wytworzonych przez organizm zwierzęcia przeciwciał. Taka produkcja surowicy często wiążą się z wysokimi kosztami, ograniczoną skutecznością i niepożądanymi skutkami ubocznymi. Ale na łamach „Nature” naukowcy informują o obiecujących wynikach innej strategii, która może okazać się szybsza, tańsza i skuteczniejsza. Chodzi tu syntetyczne antytoksyny wytwarzane przy pomocy sztucznej inteligencji, które są łatwe w produkcji i przechowywaniu i mogą być przeznaczone do walki z toksynami, na które obecnie nie ma środków zaradczych.

Sztuczna inteligencja kontra jad węża

W nowych badaniach naukowcy pod kierunkiem Bakera wykorzystali narzędzia głębokiego uczenia do zaprojektowania nowych białek, które wiążą się z toksynami śmiercionośnych kobr i je neutralizują. Uczeni skoncentrowali się na klasie białek węży zwanych toksynami trójpalczastymi, które często sprawiają, że antytoksyny oparte na przeciwciałach pobranych od immunizowanych zwierząt zawodzą.

Preparaty stworzone przy udziale sztucznej inteligencji obecnie zapewniają ochronę przed śmiertelnymi dawkami toksyn trójpalczastych u myszy. W testach przeżywało 80-100 proc. gryzoni, w zależności od dawki, toksyny i zaprojektowanego białka. Toksyny trójpalczaste znają sposoby na unikanie układu odpornościowego, co sprawia, że ​​leczenie oparte na osoczu zwierząt bywa nieskuteczne.

– Uważam, że projektowanie białek pomoże uczynić leczenie ukąszeń węży bardziej dostępnym dla ludzi w krajach rozwijających się – przyznała Susana Vazquez Torres z University of Washington School of Medicine, współpracowniczka Bakera i współautorka publikacji. – Stworzone przez nas antytoksyny są łatwe do odkrycia przy użyciu metod obliczeniowych. Są również tanie w produkcji i mają dobre wyniki w testach laboratoryjnych — dodał Baker.

Terapie nowej generacji

Naukowcy doszli do wniosku, że tworzenie białek, które wiążą się z toksynami węży i ​​je unieszkodliwiają, może przynieść kilka korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami leczenia. Nowe antytoksyny można wytwarzać przy użyciu mikrobów, omijając udział zwierząt i potencjalnie obniżając koszty produkcji. Ale jest więcej zalet.

– Najbardziej niezwykłym wynikiem jest imponująca ochrona przed neurotoksynami, jaką zapewniły myszom. Dodatkową zaletą zaprojektowanych białek jest to, że są małe – tak małe, że spodziewamy się, że będą lepiej przenikać do tkanek i potencjalnie neutralizować toksyny szybciej niż obecne przeciwciała. A ponieważ białka zostały stworzone w całości na komputerze przy użyciu oprogramowania opartego na sztucznej inteligencji, znacznie skróciliśmy czas poświęcony na fazę odkrywania – podkreślił Timothy Patrick Jenkins z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego.

Badacze podkreślają, że minie jeszcze sporo czasu, zanim ich odkrycia trafią na rynek. Konwencjonalne antytoksyny pozostaną podstawą leczenia ukąszeń węży w najbliższej przyszłości. Opracowane przez badaczy antytoksyny mogą początkowo stać się suplementami lub środkami wzmacniającymi, które poprawią skuteczność istniejących metod leczenia, dopóki nie zostaną zatwierdzone terapie nowej generacji.

Według naukowców podejście do opracowywania leków opisane w tym badaniu może być również przydatne w przypadku wielu innych chorób, na które obecnie nie ma sposobów, w tym niektórych infekcji wirusowych. Projektowanie białek ogólnie wymaga mniej zasobów niż tradycyjne metody odkrywania leków w laboratorium. Istnieje również potencjał do generowania nowych, ale mniej kosztownych leków na bardziej powszechne choroby przy pomocy algorytmów sztucznej inteligencji.

– Nie musieliśmy przeprowadzać kilku rund eksperymentów laboratoryjnych, aby znaleźć antytoksyny o dobrym działaniu. Oprogramowanie jest teraz tak dobre, że wystarczyło przetestować tylko kilka cząsteczek. Oprócz leczenia ukąszeń węży projektowanie białek pomoże uprościć odkrywanie leków, szczególnie w warunkach ograniczonych zasobów. Obniżając koszty i zapotrzebowanie na nowe, skuteczne preparaty, podejmujemy znaczące kroki w kierunku przyszłości, w której każdy będzie mógł otrzymać leczenie, na jakie zasługuje – powiedział Baker.

Źródło: Technical University of Denmark, Nature, Science, fot. Wikimedia Commons/ Ryanvanhuyssteen/ CC BY-SA 4.0