Uno strumento di intelligenza artificiale progetta proteine che corrispondono alle tossine che gli scienziati vogliono mirare
Quando serpenti come questo cobra sputatore del Mozambico mordono, rilasciano potenti tossine nelle vittime tramite il loro veleno. Le proteine progettate dall’IA che si attaccano a queste tossine potrebbero un giorno far parte di nuove terapie antivenomiche.
L’intelligenza artificiale potrebbe neutralizzare il veleno dei serpenti. Utilizzando l’IA, gli scienziati hanno progettato proteine che dicono “non così in fretta” alle tossine maneggiate dai cobra e da altri serpenti velenosi. È un approccio di prova del concetto che potrebbe un giorno offrire un nuovo trattamento per i morsi di serpente. In esperimenti di laboratorio, le proteine personalizzate hanno salvato la vita ai topi a cui era stata somministrata una dose altrimenti letale di tossine, riportano i ricercatori il 15 gennaio su Nature.
Queste proteine “stanno davvero facendo il loro lavoro”, dice Michael Hust, un ricercatore di anticorpi presso l’Università Tecnica di Braunschweig in Germania, che non è stato coinvolto nella nuova ricerca. “I topi stanno sopravvivendo. Questo è ciò che tutti noi vogliamo.”
Il lavoro rappresenta l’ultima applicazione reale del lavoro che ha valso a tre scienziati il Premio Nobel per la chimica nel 2024. Nel 2022, il biotecnologo medico Timothy Jenkins ha notato una prepubblicazione dal laboratorio di David Baker, un biochimico presso la Scuola di Medicina dell’Università di Washington a Seattle e uno dei premiati Nobel. La prepubblicazione descriveva proteine progettate dall’IA che si attaccano come supercolla a molecole specifiche.
Questo ha acceso un’idea. L’IA potrebbe pensare a un design che si aggancia e neutralizza le tossine del veleno di serpente?
Jenkins, dell’Università Tecnica della Danimarca a Lyngby, aveva trascorso anni cercando di sviluppare nuove terapie per i morsi di serpente. In tutto il mondo, i morsi di serpente uccidono circa 100.000 persone ogni anno. I serpenti velenosi possono rilasciare una tempesta di tossine tramite il loro morso. Alcune delle più pericolose includono molecole chiamate tossine a tre dita, che possono paralizzare i muscoli, fermando i cuori delle persone e la loro capacità di respirare. Gli antivenomi esistono, ma la tecnologia è obsoleta, dice Jenkins. “Non ci sono molti soldi in questo, quindi non è stata attratta molta innovazione.”
Gli attuali produttori di antivenom mungono i serpenti per estrarre il loro veleno, che è “come maneggiare una granata a mano viva”, dice. Una piccola dose di quel veleno viene iniettata in un cavallo o in un altro grande animale, dal quale i produttori raccolgono successivamente gli anticorpi.
Quando somministrati a una vittima di morso di serpente, quegli anticorpi si legano alle tossine del veleno e le neutralizzano. Ma la produzione di antivenom è costosa e richiede tempo, quindi gli scienziati hanno cercato altri metodi. Un’opzione che ha visto recenti successi è la scansione di una vasta collezione di anticorpi di laboratorio per identificare quelli che mirano a particolari tossine.
Con l’IA, gli scienziati possono costruire rapidamente e in modo economico proteine che mirano alle tossine da zero. Jenkins e Baker si sono uniti per creare proteine personalizzate utilizzando un modello di IA generativa chiamato RFdiffusion. È uno strumento di progettazione di proteine gratuito che condivide alcune somiglianze con le IA che generano immagini. Invece di evocare un’immagine del papa in una giacca a vento, RFdiffusion può inventare design di proteine che corrispondono a una molecola che gli scienziati vogliono mirare.
In laboratorio, le cellule umane esposte alle tossine del veleno del cobra sputatore dal collo nero tipicamente muoiono entro circa un’ora e mezza (pannello di sinistra). Le cellule morenti sembrano illuminarsi come un albero di Natale rosa. Ma trattare le cellule con proteine progettate cinque minuti dopo l’esposizione alla tossina ha respinto gli effetti letali (pannello di destra).
Il team di Baker aveva precedentemente addestrato il modello su tutte le strutture proteiche conosciute e le loro sequenze di amminoacidi, la stringa di blocchi molecolari che si piegano in una forma tridimensionale della proteina. Poi, i ricercatori hanno smontato computazionalmente quelle forme. Questo ha insegnato al modello come assemblare una proteina completa dai suoi componenti, come imparare a costruire un motore di un’auto smontandolo.
Baker e Jenkins hanno chiesto all’IA di progettare proteine che si attaccassero alle tossine del veleno. Poi hanno prodotto le proteine in laboratorio. Come un cappuccio magnetico che copre la punta di una chiave in modo che non si adatti più a una serratura, le proteine sintetizzate hanno impedito alla tossina di agganciarsi alle cellule.
Il team ha iniettato 20 topi con le proteine personalizzate 15 minuti dopo una dose letale di tossine di cobra o contemporaneamente alle tossine. Ogni topo è sopravvissuto. “Eravamo molto, molto eccitati per questo,” dice Jenkins. È stata una dimostrazione netta dei poteri delle proteine. Successivamente, il team vuole sviluppare le sue proteine in un prodotto reale che potrebbe testare sulle persone. Gli scienziati dovranno assicurarsi che le proteine personalizzate siano sicure e non si leghino inaspettatamente ai tessuti umani, dice Hust.
Jenkins è d’accordo. Il nuovo studio è solo un primo passo per neutralizzare i danni dei veleni. “Era molto semplicemente dimostrare che questa tecnologia estremamente nuova funziona,” dice.