Новые белки, не встречающиеся в природе, разработаны для противодействия некоторым компонентам змеиного яда. Вычислительные методы глубокого обучения при разработке нейтрализующих токсины белков дают надежду на создание более безопасных, экономически эффективных и легкодоступных терапевтических средств, чем те, которые используются в настоящее время.
Ежегодно более 2 миллионов человек страдают от укусов змей. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 100 000 из них умирают, а 300 000 страдают от тяжелых осложнений и длительной инвалидности в результате деформации конечностей, ампутации или других последствий. Африка к югу от Сахары, Южная Азия, Папуа-Новая Гвинея и Латинская Америка являются одними из мест, где укусы ядовитых змей представляют наибольшую угрозу для здоровья населения.
В журнале Nature появилось сообщение о работе в области вычислительной биологии, направленной на поиск лучших противоядий, возглавляемой учеными из Института дизайна белков UW Medicine и Технического университета Дании. Ведущий автор статьи — Сусана Васкес Торрес (Susana Vazquez Torres). Ее родной город — Керетаро, Мексика, расположенный вблизи мест обитания гадюк и гремучих змей. Профессиональная цель девушки — изобрести новые лекарства для лечения болезней и травм, в том числе змеиных укусов.
Исследовательская группа, в которую вошли международные эксперты в области изучения змеиных укусов, лекарств и диагностики, а также тропической медицины из Великобритании и Дании, сосредоточила свое внимание на поиске способов нейтрализации яда, полученного от некоторых элапид. Элапиды — это большая группа ядовитых змей, среди которых кобры и мамбы, обитающие в тропиках и субтропиках.
У большинства видов элапид есть два небольших клыка в форме мелких игл. Во время сильного укуса клыки могут впрыскивать яд из желез, расположенных в задней части челюсти змеи. Среди компонентов яда — потенциально смертоносные токсины трехпалых змей. Такие химические вещества повреждают ткани организма, убивая клетки. Более того, прерывая сигналы между нервами и мышцами, токсины могут вызвать паралич и смерть.
В настоящее время укусы ядовитых змей элапид лечат с помощью антител, взятых из плазмы крови животных, которые были иммунизированы против змеиного токсина. Производство антител требует больших затрат, а их эффективность против токсинов трехпалых змей ограничена. Кроме того, такое лечение может иметь серьезные побочные эффекты, в том числе вызывать у пациента шок или дыхательную недостаточность.
Исследователи использовали вычислительные методы глубокого обучения, чтобы попытаться ускорить открытие лучших методов лечения. Они создали новые белки, которые, связываясь с опасными токсинами, препятствуют их нейротоксическим и разрушающим клетки свойствам. Путем экспериментального отбора специалисты получили конструкции, которые генерировали белки с термической стабильностью и высокой способностью к связыванию. Фактически синтезированные белки практически полностью совпадали на атомном уровне с компьютерным дизайном, основанным на глубоком обучении.
В лабораторных условиях разработанные белки эффективно нейтрализовали все три подсемейства тестируемых токсинов. Когда их давали мышам, белки защищали животных от воздействия нейротоксина, которое могло оказаться смертельным.
У новых белков есть ключевые преимущества. Их можно производить с неизменным качеством с помощью технологий рекомбинантной ДНК, а не путем иммунизации животных. Кроме того, белки, разработанные против змеиных токсинов, имеют небольшие размеры по сравнению с антителами, что может обеспечить более глубокое проникновение в ткани для быстрого противодействия токсинам и уменьшения повреждений.
Помимо открытия новых путей для разработки противоядий, исследователи считают, что методы вычислительного дизайна могут быть использованы для поиска лекарств от болезней, которые поражают страны с существенно ограниченными ресурсами научных исследований. «Методология вычислительного проектирования может существенно снизить затраты и потребности в ресурсах на разработку лекарств от забытых тропических болезней», — отмечают исследователи.
