Gerade hat Claude innerhalb von 64 Stunden 310.000 verschiedene Proteine entworfen, wovon 17 durch Experimente validiert wurden.

Die Geschichte der KI in der Pharmazeutik ist endlich von den Molekülstrukturen im Computer zu den Reagenzgläsern im Labor gelangt……

Gerade hat Anthropic eine biologische Forschungsarbeit veröffentlicht: Claude hat innerhalb von 64 Stunden 318484 Proteinentwürfe erstellt, um nach Kandidatenmolekülen zu suchen, die an das Neurotoxin des Skorpiongifts binden können.

Laut Angaben von Anthropic werden weltweit jährlich etwa 1,2 Millionen Menschen von Skorpionen gestochen, während Gegengift-Seren oft teuer oder knapp verfügbar sind. Die Entwicklung von Proteinen, die das Neurotoxin des Skorpiongifts binden, mit Claude könnte ein erster Schritt auf dem Weg zur Erforschung neuartiger Behandlungsmethoden sein.

Daten zeigen, dass das Forschungsteam aus den 318484 erstellten Proteinentwürfen 211 Kandidatenproteine für Labortests ausgewählt hat, von denen schließlich 17 die voreingestellten Bindekriterien erfüllten. Diese Moleküle könnten Hinweise für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Skorpiongift liefern.

Natürlich hat das aktuelle Experiment nur ihre Bindungsfähigkeit an das Zieltoxin nachgewiesen, es wurde noch nicht bewiesen, dass sie das Toxin neutralisieren oder im Organismus Schutz bieten. Das wirklich bemerkenswerte an dieser Studie ist jedoch, dass Claude nicht nur an der Proteinentwicklung beteiligt war, sondern auch mehrere Schritte wie die Auswahl der Kandidatenlösungen unterstützt hat – von der Generierung von Molekülen bis zur Laborevaluierung beginnt die KI, an einem vollständigeren Forschungsprozess teilzunehmen……

Im Folgenden werfen wir einen detaillierten Blick darauf.

Mehr als 318000 Proteinentwürfe, 17 davon bestehen die experimentelle Auswahl

Warum wurde ausgerechnet Skorpiongift ausgewählt?

Weltweit ereignen sich jährlich mehr als 1,2 Millionen Fälle von Skorpionstichen, die zu mehr als 3250 Todesfällen führen. Herkömmliche Gegengift-Seren werden durch Immunisierung von Tieren hergestellt, sind kostspielig und decken nur eine begrenzte Anzahl von Giftstoffen ab. Daher ist die Skorpiongiftvergiftung ein Problem des öffentlichen Gesundheitswesens, dem lange Zeit nicht genügend Forschungsaufmerksamkeit gewidmet wurde.

Anthropic arbeitet mit dem Investment- und Forschungsinstitut Citrini Research zusammen, um mit KI von Grund auf kleine Proteine zu entwickeln, die an das Neurotoxin des Skorpiongifts binden – sogenannte Minibinder.

Einfach ausgedrückt binden einige Neurotoxine im Skorpiongift an die Natriumkanäle auf der Nervenzellmembran und stören die Übertragung von Nervensignalen. Im schlimmsten Fall können dies zu Folgen wie Herzversagen oder Lungenödemen führen.

Die Vorstellung der Forscher lautet: Wenn man ein ausreichend präzises Protein entwickeln kann, das vorab die Stelle bindet, an der das Toxin mit dem Natriumkanal wechselwirkt, kann man möglicherweise verhindern, dass das Toxin seine Wirkung entfaltet.

In diesem Experiment wurden 5 Neurotoxine aus Skorpiongift aus Mexiko, Brasilien, Nordafrika und dem Nahen Osten ausgewählt, nämlich Cn2, Ts1, AaH I, AaH II und LqhIII.

Claude analysierte die Proteinstrukturen und wichtigen Bindungsstellen der fünf Neurotoxine aus Skorpiongift und entwarf darauf basierend Kandidaten-Bindeproteine. Oben ist die dreidimensionale Struktur des Toxins dargestellt, unten sind die von Claude ausgewählten potenziellen Bindungsbereiche markiert.

Claude erstellte 318484 Kandidaten-Proteinentwürfe und wählte schließlich 180 davon aus. Das Forschungsteam ergänzte anschließend mit Unterstützung von Claude weitere 31 Entwürfe, sodass insgesamt 211 Kandidatenproteine zur Prüfung an die zwei Labore Adaptyv Bio und Twist Bioscience übergeben wurden.

Schließlich erfüllten 17 Entwürfe die Kriterien des Forschungsteams für die Proteinbindung.

Genauer gesagt binden 7 davon an Cn2, 4 an AaH I, 4 an AaH II und weitere 2 an LqhIII. Die Entwürfe für Ts1 haben die Auswahl nicht bestanden.

Die von Claude entworfenen Kandidatenproteine für die fünf Neurotoxine aus Skorpiongift und die Ergebnisse der experimentellen Auswahl. Für Cn2 wurden 7 wirksame Bindeproteine erhalten, für AaH I und AaH II je 4, für LqhIII 2, für Ts1 wurde kein wirksames Bindeprotein ausgewählt.

Die bemerkenswertesten Kandidaten in der Studie sind zwei Proteine gegen das Cn2-Toxin: Cn2-B1 und Cn2-B2.

Beide zeigten im Experiment eine starke Bindungsfähigkeit, ihre Dissoziationskonstante KD erreichte einen einstelligen nanomolaren Bereich. Ein niedriger KD-Wert bedeutet in der Regel, dass das Molekül fester an das Zielprotein bindet.

Das Forschungsteam führte außerdem kompetitive Bindungsexperimente durch.

Sie stellten fest, dass diese zwei Proteine möglicherweise an derselben oder einer ähnlichen Stelle binden wie das bekannte neutralisierende Antikörper LR. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass LR das Cn2-Toxin in Mausversuchen neutralisieren kann.

Die vorhergesagte Bindungsstruktur der von Claude entworfenen Kandidatenproteine Cn2-B1 und Cn2-B2 an das Neurotoxin Cn2 aus Skorpiongift. Beide zielen auf den Schlüsselbereich ab, an dem das Toxin an den Ionenkanal bindet, und werden mit den Bindungsstellen der bekannten Antikörper LR und RU1 verglichen.

Das bedeutet, dass die zwei von Claude entworfenen Kandidatenproteine möglicherweise einen Wert für weitere Untersuchungen haben.

Es ist jedoch zu beachten, dass in diesem Experiment nur die Bindungsfähigkeit der Proteine an das Toxin nachgewiesen wurde – es wurde nicht tatsächlich bewiesen, dass diese Proteine das Skorpiongift neutralisieren können.

Die Forscher haben noch keine Tests zur Toxinneutralisierung auf Zellebene durchgeführt und auch keine Schutzwirkung im Tierkörper überprüft.

Ein weiteres interessantes Ergebnis ist, dass Claude bei der Entwicklung von Proteinen, die gleichzeitig mehrere Toxine binden, auf Schwierigkeiten stieß.

Das Forschungsteam hatte ursprünglich gehofft, ein universelles Protein zu finden, das mehrere Skorpiongifte binden kann, um die Anzahl der Moleküle zu reduzieren, die in zukünftigen Gegengiftpräparaten kombiniert werden müssen.

Aber jedes der 17 Proteine, das die Auswahl bestanden hat, wurde nur nachgewiesen, dass es ein einzelnes Toxin bindet. Kein einziger Entwurf erfüllte die Kriterien, mehrere Toxine gleichzeitig zu binden.

Bei der Entwicklung von Proteinen, die nur ein einzelnes Toxin binden, haben 11 von 60 speziell für ein einzelnes Toxin ausgelegten Kandidatenentwürfen die Auswahl bestanden, was einer Erfolgsrate von etwa 18 % entspricht.

Laut Angaben von Anthropic liegt dieses Niveau im Einklang mit der Leistung üblicher Studien zur Proteinentwicklung.

Obwohl es noch einen deutlichen Abstand zu einem universellen Gegengift-Medikament gibt, beweist diese Studie zumindest, dass Claude in kurzer Zeit eine große Anzahl von Kandidatenentwürfen vorschlagen und daraus Proteine auswählen kann, die tatsächlich eine experimentelle Bindungsfähigkeit aufweisen.

Was hat Claude in den 64 Stunden tatsächlich geleistet?

Herkömmliche Proteinentwicklung erfordert, dass Forscher verschiedene Werkzeuge verwenden, um Strukturanalysen durchzuführen, Kandidatenmoleküle zu generieren, Bindungen vorherzusagen und auszuwählen. Diesmal hat Anthropic versucht, Claude diese Schritte selbstständig organisieren zu lassen.

Das Forschungsteam legte zunächst das Zieltoxin, die verfügbaren Werkzeuge und die Auswahlregeln fest. Anschließend suchte Claude selbstständig nach Proteinstrukturen, wählte Entwicklungswerkzeuge aus, legte Auswahlkriterien fest und passte die Entwurfslösungen ständig an.

Während des gesamten Prozesses rief Claude 12 Werkzeuge zur Proteinentwicklung auf, generierte 318484 Kandidatenentwürfe und führte Strukturvorhersagen für mehr als 550000 Kombinationen aus Kandidatenprotein und Toxin durch.

Nach Erhalt der ersten Eingabeaufforderung lief Claude 24 Stunden lang kontinuierlich selbstständig. Die Forscher fügten anschließend 4 weitere Eingabeaufforderungen hinzu, um die weitere Optimierung der Entwürfe zu lenken. Die gesamte Phase des rechnergestützten Entwurfs dauerte 64 Stunden, und schließlich wählte Claude 180 Kandidatenproteine aus.

Sogar die Aufgabe, die Proteinsequenzen an das Labor zu senden, erledigte Claude gemäß den Anforderungen der Forscher.

Das bedeutet, dass Claude bereits in der Lage ist, eine große Anzahl von Arbeiten im Forschungsprozess zu übernehmen, die Planung, Analyse und Werkzeugkoordination erfordern, und die Forschungsstrategie basierend auf zwischenzeitlichen Ergebnissen kontinuierlich anzupassen.

Dennoch sind Menschen an dem Experiment beteiligt: Die Forscher sind für die Festlegung der Ziele, das Hinzufügen von Eingabeaufforderungen und die Ergänzung von Entwürfen verantwortlich. Die anschließende Proteinsynthese und -prüfung wurde von spezialisierten Labors durchgeführt. Außerdem umfassen die 64 Stunden nur die Phase des rechnergestützten Entwurfs, in der etwa 10000 GPU-Stunden verbraucht wurden.

Es ist auch nicht das erste Mal, dass Claude versucht, Proteine zu entwickeln. Im August dieses Jahres veröffentlichte Anthropic bereits eine Studie: Claude hat Entwürfe für 15 Proteinziele erstellt, von denen 14 erfolgreich experimentell validierte Bindeproteine erhielten.

Blog-Link: https://www.anthropic.com/research/Claude-accelerates-protein-design

Im Vergleich zu früheren Studien zeigt dieses Experiment weiter die Fähigkeit von Claude, komplexe Forschungsprozesse bei spezifischen biomedizinischen Fragestellungen zu koordinieren.

Aber bis zu einem echten Gegengift-Medikament ist noch viel Arbeit zu erledigen. Derzeit hat Anthropic alle 211 Kandidatenentwürfe und zugehörige Versuchsdaten veröffentlicht, damit andere Forscher sie weiter prüfen können.

Vom Proteinentwurf zur Medikamentenentwicklung:

KI tritt möglicherweise in einen vollständigeren Arbeitsablauf der Biomedizin ein

Wenn Anthropic die Fähigkeit der KI zur Gestaltung biologischer Moleküle demonstriert, hat ein anderes biomedizinisches KI-Unternehmen namens Radical Numerics die Geschichte bis zum Szenario der Behandlung am Menschen vorangetrieben.

Gerade hat Radical Numerics das genomische Großmodell Omnii-1 veröffentlicht und angekündigt, dass sein von KI entworfenes Bakteriophage erstmals für die compassionate Verwendung bei einem Patienten mit einer arzneimittelresistenten bakteriellen Infektion zugelassen wurde. Das Unternehmen gibt an, dass der betreffende Bakteriophage bereits Labortests zur Abtötung von Bakterien bestanden hat und die Genehmigung zur Behandlung des Patienten erhalten hat.

Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien infizieren können. Unter bestimmten Bedingungen können sie für Forschungsarbeiten zur Behandlung von bakteriellen Infektionen eingesetzt werden, insbesondere in Szenarien mit begrenzten herkömmlichen Behandlungsmöglichkeiten wie Infektionen durch arzneimittelresistente Bakterien.

Im Vergleich zur Entwicklung von Proteinen, die an Toxine binden, berührt der Fall mit den Bakteriophagen weiter, wie von KI entworfene biologische Präparate in echte medizinische Prozesse gelangen können.

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