致病性大腸桿菌和志賀氏菌是發(fā)展中國家兒童腹瀉死亡和全球食源性感染的主要原因，其抗生素耐藥性日益嚴(yán)峻，對公共衛(wèi)生構(gòu)成重大威脅。

而AI的突破性進(jìn)展，為這一棘手問題帶來新的曙光。

近日，來自莫納什大學(xué)、墨爾本大學(xué)等機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊在Nature Communications上發(fā)布了題為Inhibiting heme piracy by pathogenic Escherichia coli using de novo-designed proteins的論文。

科學(xué)家們利用Alphafold、RFdiffusion、ProteinMPNN這些來自諾獎團(tuán)隊的頂級模型，從頭設(shè)計出可立即使用的新型蛋白質(zhì)，能夠殺死大腸桿菌等抗生素耐藥細(xì)菌，為全球日益嚴(yán)峻的超級細(xì)菌威脅提供了創(chuàng)新解決方案。

這項研究不僅為開發(fā)針對耐藥菌株的藥物提供了全新機(jī)制，更凸顯了人工智能在整合膜蛋白抑制劑設(shè)計中的巨大潛力，預(yù)示著感染性疾病治療領(lǐng)域的新突破。

這項成果基于莫納什生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所和墨爾本大學(xué)Bio21研究所共同開發(fā)的AI蛋白質(zhì)設(shè)計項目（AIPDP），該項目由經(jīng)過驗證的公開軟件（AlphaFold、RFDiffusion等）和定制網(wǎng)絡(luò)組成，并包含了一支由結(jié)構(gòu)生物學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家組成的專家團(tuán)隊。

目前AIPDP已經(jīng)開發(fā)了一套端到端的蛋白質(zhì)工程平臺，能夠構(gòu)建具有多樣化的蛋白質(zhì)分子，用于開發(fā)藥物、疫苗、納米材料及微型傳感器，展示出廣闊的應(yīng)用前景。

AI“從零”設(shè)計，告別低效試錯

鐵是幾乎所有細(xì)菌必需的營養(yǎng)元素，參與DNA合成、能量代謝等關(guān)鍵生理過程。在感染過程中，宿主通過多種機(jī)制嚴(yán)格限制游離鐵的可利用性，這一防御策略被稱為"營養(yǎng)免疫"。

為突破這一限制，病原菌進(jìn)化出兩種途徑：分泌鐵載體捕獲鐵或直接攝取宿主的血紅素。這兩種方式都依賴外膜蛋白TonB依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)體（TBDT）。

其中，血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ChuA能快速從血紅蛋白中提取血紅素，其關(guān)鍵組氨酸殘基（His-86和His-420）對這一過程至關(guān)重要，但具體機(jī)制尚不清楚。

研究團(tuán)隊利用結(jié)構(gòu)建模、冷凍電鏡、X射線晶體學(xué)、誘變和表型分析的組合來確定該過程的機(jī)制細(xì)節(jié)。

其中包括利用AlphaFold2-Multimer預(yù)測了ChuA與血紅蛋白的相互作用模式，并通過AlphaFold3對ChuA-血紅素復(fù)合物的建模預(yù)測了His-420和His-86共同配位血紅素的可能性，為理解這兩個殘基的協(xié)同作用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

憑借這些結(jié)構(gòu)信息，團(tuán)隊采用RFdiffusion生成了5000個潛在的結(jié)合蛋白骨架構(gòu)象。這些初始設(shè)計隨后進(jìn)入深度學(xué)習(xí)優(yōu)化流程，ProteinMPNN為每個骨架設(shè)計了最優(yōu)氨基酸序列，AlphaFold2則通過pAE相互作用分?jǐn)?shù)評估設(shè)計質(zhì)量。

最終，基于結(jié)構(gòu)多樣性、結(jié)合界面特性和實驗可行性等標(biāo)準(zhǔn)，研究人員精選出96個最優(yōu)設(shè)計進(jìn)入實驗驗證階段，其中最具潛力的四個蛋白（A10、C8、G7和H3）表現(xiàn)出顯著的抑制效果。

特別值得注意的是，這些抑制蛋白具有高度特異性，只影響血紅蛋白依賴的生長途徑，而對其他鐵獲取機(jī)制沒有干擾。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究進(jìn)一步驗證了AI設(shè)計的準(zhǔn)確性，冷凍電鏡清晰展示了G7和H3與ChuA形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，與AlphaFold2模型預(yù)測結(jié)果高度吻合。

圖：冷凍電鏡為深橙/藍(lán)色，AlphaFold2為淺橙/藍(lán)色

這項研究最引人注目的發(fā)現(xiàn)在于，部分AI設(shè)計的蛋白質(zhì)（如G7）無需任何實驗優(yōu)化就直接表現(xiàn)出納摩爾級的抑制活性。這種“一次設(shè)計成功”的現(xiàn)象打破了傳統(tǒng)蛋白質(zhì)設(shè)計中需要多輪試錯的瓶頸。

該團(tuán)隊證實了AI設(shè)計的蛋白質(zhì)能有效阻斷致病性大腸桿菌通過ChuA獲取鐵元素的途徑。更重要的是，他們建立了一個可推廣的AI蛋白質(zhì)設(shè)計方法。

這些發(fā)現(xiàn)為AI在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性，突破了傳統(tǒng)藥物設(shè)計的局限，為治療耐藥菌感染等問題提供了新思路。

集成尖端AI工具，賦能蛋白質(zhì)設(shè)計

上述成果成為AI蛋白質(zhì)設(shè)計項目（AIPDP）的又一力作，此前該團(tuán)隊已經(jīng)利用RFDiffusion和ProteinMPNN設(shè)計了可溶性細(xì)菌酶和細(xì)菌膜蛋白的抑制劑。

AIPDP致力于整合AI驅(qū)動的蛋白質(zhì)設(shè)計工具，幫助研究人員快速掌握并應(yīng)用這些技術(shù)，推動澳大利亞在該領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新。

據(jù)悉，這是該國首個引入David Baker實驗室諾獎級蛋白質(zhì)設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新平臺，其開發(fā)了一種端到端蛋白質(zhì)工程方法，可用于開發(fā)藥物、疫苗、納米材料和微型傳感器。

AIPDP擁有一支專業(yè)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家團(tuán)隊，由Rhys Grinter博士和Gavin Knott副教授共同領(lǐng)導(dǎo)。

圖：Rhys Grinter（左）和Gavin Knott（右）

Rhys Grinter博士畢業(yè)于格拉斯哥大學(xué)，在應(yīng)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子細(xì)胞生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)綜合方法方面擁有豐富經(jīng)驗，現(xiàn)任墨爾本大學(xué)Bio21分子科學(xué)與生物技術(shù)研究所Grinter實驗室的負(fù)責(zé)人。

Gavin Knott為莫納什生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所副教授，其研究聚焦RNA結(jié)合蛋白的進(jìn)化機(jī)制及CRISPR系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)的Knott實驗室專注于計算生物學(xué)、生物信息學(xué)、生物化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的交叉創(chuàng)新。

目前，AIPDP正在打造一個越來越大的技術(shù)平臺和生態(tài)，團(tuán)隊正在不斷測試、評估和比較新的工具和軟件（如Bindcraft和Chai等），根據(jù)具體的蛋白質(zhì)設(shè)計問題定制使用方案，為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提供AI蛋白質(zhì)設(shè)計服務(wù)，加速開發(fā)新型療法、診斷工具和科研應(yīng)用。

Grinter博士表示，深度學(xué)習(xí)新方法能夠高效地從頭設(shè)計具有特定特性和功能的蛋白質(zhì)，從而降低成本并加速新型蛋白質(zhì)結(jié)合劑和工程酶的開發(fā)。

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