آیا Claude واقعاً فقط در ۶۴ ساعت، پادزهری برای سم عقرب طراحی کرده است؟

در این پژوهش، یک مدل تحقیقاتی داخلی Claude با دریافت یک دستور اولیه و چهار دستور تکمیلی، طی ۶۴ ساعت مجموعه‌ای از پروتئین‌های موسوم به مینی‌بایندر (Minibinder) طراحی کرد. مینی‌بایندرها پروتئین‌های کوچکی هستند که می‌توانند با قدرت به مولکول‌های هدف متصل شوند. این پروژه با همکاری شرکت تحقیقاتی Citrini Research انجام شد و دو شرکت Adaptyv Bio و Twist Bioscience مسئولیت آزمایش تجربی طرح‌ها را بر عهده داشتند.

Claude چه کرد؟

در مجموع، Claude تعداد ۳۱۸۴۸۴ طرح پروتئینی تولید کرد که از میان ۲۱۱ طرح آزمایش‌شده، ۱۷ مورد معیارهای تعیین‌شده برای اتصال به نوروتوکسین‌ها را برآورده کردند. بااین‌حال، پژوهشگران تأکید کرده‌اند که اتصال پروتئین به سم به معنای خنثی‌سازی آن نیست و هنوز هیچ‌یک از این طرح‌ها به‌عنوان پادزهر تأیید نشده‌اند. پژوهشگران آنتروپیک تمامی ۲۱۱ طرح و داده‌های اتصال آن‌ها را در Hugging Face منتشر کرده‌اند تا سایر محققان بتوانند پژوهش را ادامه دهند.

دانلود منابع تحقیق آنتروپیک و نقش Claude در طراحی پروتئین متصل‌شونده به زهر عقرب از Hugging Face

چرا توسعه پادزهر عقرب اهمیت دارد؟

سالانه دست‌کم ۱٫۲ میلیون نفر در جهان دچار عقرب‌گزیدگی می‌شوند و بیش از ۳۲۵۰ نفر جان خود را از دست می‌دهند. بخش عمده قربانیان کودکان ساکن مناطقی هستند که دسترسی محدودی به خدمات پزشکی دارند. زهر عقرب حاوی نوروتوکسین‌های پروتئینی متعددی است. خطرناک‌ترینِ این سموم به کانال‌های سدیمی موجود در غشای سلول‌های عصبی متصل می‌شوند و عملکرد طبیعی آن‌ها را مختل می‌کنند. این اختلال باعث فعالیت نابهنگام اعصاب و آزادسازی مقادیر زیادی از هورمون‌های مرتبط با پاسخ استرس مانند آدرنالین می‌شود. در موارد شدید، پیامدهایی مانند نارسایی قلبی و تجمع مایع در ریه‌ها ممکن است به مرگ منجر شوند.

کاربردها، ابزارها و محدودیت‌ها:
هوش مصنوعی در زیست‌شناسی

پادزهرهای متداول معمولاً با استفاده از آنتی‌بادی حیوانات ایمن‌سازی‌شده تولید می‌شوند. در این فرایند، زهر هزاران عقرب استخراج و برای ایمن‌سازی اسب‌ها استفاده می‌شود؛ سپس آنتی‌بادی‌های تولیدشده از خون حیوانات جداسازی و خالص‌سازی می‌شوند. این روش ممکن است ماه‌ها طول بکشد و پادزهرهای حاصل نیز معمولاً فقط علیه تعداد محدودی از نوروتوکسین‌ها مؤثرند. هزینه تولید بالا و دسترسی محدود به‌ویژه در مناطق کم‌برخوردار، از مشکلات اصلی این درمان‌ها محسوب می‌شوند.

طراحی پروتئین از صفر با کمک Claude

پژوهشگران برای غلبه بر این محدودیت‌ها از رویکرد طراحی پروتئین از صفر یا De novo Protein Design استفاده کردند. در این روش، ساختار پروتئین‌های متصل‌شونده به یک هدف مشخص به‌صورت محاسباتی طراحی می‌شود. هدف آن است که پروتئین طراحی‌شده به ناحیه‌ای از نوروتوکسین متصل شود که سم از طریق آن به کانال سدیمی اتصال پیدا می‌کند و در نتیجه، احتمالاً مانع اثرگذاری سم شود.

پژوهشگران پنج نوروتوکسین متعلق به عقرب‌های چهار منطقه جغرافیایی را انتخاب کردند:

• Cn2 از مکزیک
• Ts1 از برزیل
• AaH I و AaH II از شمال آفریقا
• LqhIII از خاورمیانه

Claude با جست‌وجو در پایگاه‌داده ساختار پروتئین (PDB) و پایگاه AlphaFold، ساختارهای مناسب را انتخاب کرد و برای هر سم پنج موقعیت اسیدآمینه‌ای کلیدی یا Hotspot تعیین کرد تا پروتئین‌های طراحی‌شده به آن‌ها متصل شوند.

پژوهشگران چهار دسته پروتئین درخواست کردند:

1. پروتئین‌های اختصاصی هر سم
2. پروتئین‌های مشترک برای دو سم خانواده بتا
3. پروتئین‌های مشترک برای سه سم خانواده آلفا
4. پروتئین‌هایی که بتوانند هم‌زمان به هر پنج سم متصل شوند.

طراحی پروتئین‌های چندهدفه اهمیت ویژه‌ای داشت؛ زیرا می‌توانست تعداد مولکول‌های موردنیاز برای تولید یک پادزهر فراگیر را کاهش دهد. بااین‌حال، این پنج سم باوجود شباهت در ساختار کلی، از نظر توالی اسیدآمینه‌ای فقط ۲۶ تا ۶۲ درصد یکسان بودند.

ابزار هوش مصنوعی چندعاملی گوگل برای تسریع پژوهش علمی

استراتژی DeepMind تجاری شد، تیم برنده نوبل AlphaFold منحل شد

اجرای نسبتاً خودمختار فرایند طراحی

Claude پس از دریافت دستور اولیه، به مدت ۲۴ ساعت به‌صورت خودمختار فعالیت کرد. نتایج اولیه باعث شد پژوهشگران با چهار دستور تکمیلی و به طور اختصاصی برای بهبود طراحی پروتئین‌های چندهدفه، مسیر کار را ادامه دهند. مدل از ۱۲ ابزار طراحی استفاده کرد و ۳۱۸۴۸۴ ساختار پروتئینی تولید کرد. سپس طرح‌های مشابه سموم یا پروتئین‌های شناخته‌شده را حذف کرد و ۵۵۳۰۵۲ جفت پروتئین طراحی‌شده و سم را از نظر ساختار کمپلکس احتمالی بررسی کرد.

Claude همچنین آستانه‌های کیفیت، میزان استفاده از ابزارهای مختلف و راهبرد طراحی پروتئین‌های چندهدفه را تعیین کرد. پس از ۶۴ ساعت و مصرف حدود ۱۰ هزار ساعت پردازش GPU، مدل ۱۸۰ طرح را برای آزمایش انتخاب کرد. پژوهشگران بعداً با کمک Claude تعداد ۳۱ طرح دیگر افزودند. مجموعه نهایی شامل ۶۰ طرح اختصاصی یک سم، ۳۰ طرح برای دو سم خانواده بتا، ۳۰ طرح برای سه سم خانواده آلفا و ۹۱ طرح برای هر پنج سم بود.

نتایج آزمایشگاهی: ۱۷ پروتئین موفق

دو شرکت Adaptyv Bio و Twist Bioscience پروتئین‌های طراحی‌شده را با روش‌های متفاوت تولید کردند. شرکت نخست از سامانه تولید پروتئین بدون سلول استفاده کرد و شرکت دوم پروتئین‌ها را در سلول‌های پستانداران، با اتصال به بخش Fc آنتی‌بادی، تولید کرد.

هر دو آزمایشگاه برای سنجش اتصال از روش تشدید پلاسمون سطحی (SPR) استفاده کردند. این روش سرعت اتصال و جداشدن مولکول‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و امکان محاسبه ثابت تفکیک (KD) را فراهم می‌سازد. هرچه مقدار KD کمتر باشد، اتصال قوی‌تر است.

برای پذیرش یک طرح، اتصال باید در تمام تکرارهای آزمایش هر دو آزمایشگاه مشاهده می‌شد و مقدار KD در تمام اندازه‌گیری‌ها حداکثر یک میکرومولار می‌بود. همچنین پروتئین نباید به مولکول انسانی نامرتبط CLEC12A اتصال قابل‌اندازه‌گیری نشان می‌داد. از مجموع ۲۱۱ طرح، ۱۷ پروتئین این معیارها را برآورده کردند:

• هفت پروتئین علیه Cn2
• چهار پروتئین علیه AaH II
• چهار پروتئین علیه AaH I
• دو پروتئین علیه LqhIII

در میان ۶۰ طرح اختصاصی یک سم، ۱۱ مورد موفق بودند؛ یعنی نرخ موفقیت حدود ۱۸ درصد. هیچ‌یک از پروتئین‌های طراحی‌شده برای چند سم نتوانست معیارهای اتصال به بیش از یک سم را برآورده کند. پژوهشگران این محدودیت را احتمالاً مرتبط با قابلیت‌های فعلی مدل، ابزارهای طراحی، نحوه دستوردهی یا محدودیت‌های زیستی طراحی چندهدفه می‌دانند.

امیدبخش‌ترین پروتئین‌های طراحی‌شده

دو پروتئین Cn2-B1 و Cn2-B2 قوی‌ترین نتایج اتصال را نشان دادند. هر دو به نوروتوکسین Cn2 متعلق به عقرب مکزیکی Centruroides noxius متصل شدند و مقادیر KD آن‌ها در محدوده نانومولار تک‌رقمی قرار داشت. پژوهشگران همچنین آزمایش‌های رقابتی انجام دادند تا مشخص شود این پروتئین‌ها به همان ناحیه‌ای متصل می‌شوند که آنتی‌بادی شناخته‌شده LR به آن متصل می‌شود یا خیر. نتایج نشان داد Cn2-B1 و Cn2-B2 احتمالاً به همان ناحیه اتصال یا ناحیه‌ای نزدیک به آن متصل می‌شوند. پیش‌تر گزارش شده بود که آنتی‌بادی LR می‌تواند سم Cn2 را در موش‌ها خنثی کند. این یافته احتمال توانایی خنثی‌سازی سم توسط پروتئین‌های طراحی‌شده را تقویت می‌کند، اما چنین عملکردی هنوز در سلول‌ها یا حیوانات زنده آزمایش نشده است.

فاصله طراحی پروتئین تا تولید پادزهر

مهم‌ترین محدودیت این پژوهش آن است که آزمایش‌ها فقط اتصال به سموم نوترکیب تولیدشده در آزمایشگاه را بررسی کرده‌اند. هیچ آزمایشی برای ارزیابی خنثی‌سازی سم در محیط سلولی (In vitro) یا اثربخشی در حیوان زنده (In vivo) انجام نشده است. برای توسعه احتمالی Cn2-B1 به‌عنوان درمان، ابتدا باید اتصال آن به سم استخراج‌شده از زهر واقعی تأیید شود. سپس با آزمایش‌های الکتروفیزیولوژیک Patch-clamp باید مشخص شود آیا این پروتئین می‌تواند از اختلال عملکرد کانال‌های سدیمی جلوگیری کند یا خیر. مرحله بعد، آزمایش در موش‌ها برای بررسی اثر محافظتی خواهد بود. افزون بر اثربخشی، ایمنی، پایداری، هزینه تولید و دسترس‌پذیری نیز باید ارزیابی شوند.

این پروژه نشان می‌دهد Claude می‌تواند در مدت چند روز، با استقلال عملیاتی قابل‌توجه، پروتئین‌های متصل‌شونده به اهداف زیستی دشوار را طراحی کند. بااین‌حال، همان‌طور که پژوهشگران و متخصصان مستقل تأکید می‌کنند، دستاورد اصلی فعلاً تسریع مرحله طراحی و شناسایی مولکول‌های اولیه است، نه تولید یک پادزهر آماده استفاده. چالش اساسی همچنان تبدیل این مولکول‌ها به درمان‌هایی ایمن، مقرون‌به‌صرفه و قابل‌دسترسی برای بیماران است.