Глубокое обучение создает белки, которые защищают от смертельного змеиного яда

Для противодействия некоторым компонентам змеиного яда были разработаны новые белки, не встречающиеся в природе. Вычислительные методы глубокого обучения для создания белков, нейтрализующих токсины, дают надежду на создание методов лечения, которые будут более безопасными, экономически эффективными и более доступными, чем те, которые используются в настоящее время. Ежегодно от укусов змей страдают более 2 миллионов человек. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 100 000 из них умирают, а 300 000 страдают от тяжелых осложнений и длительной инвалидности из-за деформаций конечностей, ампутаций или других последствий. Африка к югу от Сахары, Южная Азия, Папуа-Новая Гвинея и Латинская Америка входят в число мест, где укусы ядовитых змей представляют наибольшую угрозу для здоровья населения. Журнал Nature сообщает о работе ученых из Института дизайна белков в области компьютерной биологии по поиску лучших противоядий. Университет штата Вашингтон, Медико-технический университет Дании. Основной автор статьи — Сусана Васкес Торрес. Ее родной город — Керетаро, Мексика, расположен недалеко от места обитания гадюк и гремучих змей. Профессиональная цель девушки — изобретение новых лекарств для лечения болезней и травм, в том числе укусов змей. Исследовательская группа, в которую входили международные эксперты в области исследований змеиных укусов, лекарств и диагностики, а также тропической медицины из Великобритании и Дании, сосредоточилась на поиске способов нейтрализации яда, полученного из некоторых элапид. Элапиды — большая группа ядовитых змей, включающая кобр и мамб, обитающих в тропиках и субтропиках. У большинства элапидных видов есть два небольших бивня, имеющих форму маленьких иголок. При сильном укусе клыки могут выпустить яд из желез, расположенных в задней части челюсти змеи. Компоненты яда включают потенциально смертельные токсины трехпалых змей. Такие химические вещества повреждают ткани организма, убивая клетки. Кроме того, нарушая сигналы между нервами и мышцами, токсины могут вызвать паралич и смерть. В настоящее время укусы ядовитых элапидных змей лечат антителами, взятыми из плазмы крови животных, иммунизированных против змеиного токсина. Производство антител дорого, а их эффективность против токсинов трехпалых змей ограничена. Кроме того, это лечение может иметь серьезные побочные эффекты, в том числе вызывать шок или дыхательную недостаточность у пациента. Исследователи использовали компьютерные методы глубокого обучения, чтобы попытаться ускорить открытие лучших методов лечения. Они создали новые белки, которые связываются с опасными токсинами, предотвращая их нейротоксические и повреждающие клетки свойства. Путем экспериментального отбора специалисты получили конструкции, генерирующие белки с термостабильностью и высокой связывающей способностью. Фактически, синтезированные белки почти точно соответствовали вычислительному дизайну, основанному на глубоком обучении, на атомном уровне. В лабораторных условиях разработанные белки эффективно нейтрализовали все три подсемейства тестируемых токсинов. Белки, введенные мышам, защищали животных от воздействия нейротоксина, которое могло оказаться смертельным. Новые белки имеют ключевые преимущества. Их можно производить с постоянным качеством, используя технологии рекомбинантной ДНК, а не иммунизируя животных. Кроме того, белки, разработанные против змеиных токсинов, имеют небольшой размер по сравнению с антителами, что может обеспечить более глубокое проникновение в ткани для быстрого противодействия токсинам и уменьшения повреждений. Исследователи полагают, что методы компьютерного проектирования не только открывают новые возможности для разработки противоядий, но и для поиска лекарств от болезней, от которых страдают страны с крайне ограниченными исследовательскими ресурсами. «Методология вычислительного проектирования может значительно снизить затраты и потребности в ресурсах на разработку лекарств от забытых тропических болезней», — отмечают исследователи.
[Фото: Kate Zvorykina / Ella Maru Studio]