https://doi.org/10.1038/s41586-024-08393-x
Abstract
Snakebite envenoming remains a devastating and neglected tropical disease, claiming over 100,000 lives annually and causing severe complications and long-lasting disabilities for many more1,2. Three-finger toxins (3FTx) are highly toxic components of elapid snake venoms that can cause diverse pathologies, including severe tissue damage3 and inhibition of nicotinic acetylcholine receptors, resulting in life-threatening neurotoxicity4. At present, the only available treatments for snakebites consist of polyclonal antibodies derived from the plasma of immunized animals, which have high cost and limited efficacy against 3FTxs5,6,7. Here we used deep learning methods to de novo design proteins to bind short-chain and long-chain α-neurotoxins and cytotoxins from the 3FTx family. With limited experimental screening, we obtained protein designs with remarkable thermal stability, high binding affinity and near-atomic-level agreement with the computational models. The designed proteins effectively neutralized all three 3FTx subfamilies in vitro and protected mice from a lethal neurotoxin challenge. Such potent, stable and readily manufacturable toxin-neutralizing proteins could provide the basis for safer, cost-effective and widely accessible next-generation antivenom therapeutics. Beyond snakebite, our results highlight how computational design could help democratize therapeutic discovery, particularly in resource-limited settings, by substantially reducing costs and resource requirements for the development of therapies for neglected tropical diseases.
요약
- 뱀독 중화를 위한 단백질 설계: 기존 항독소 치료제는 면역화된 동물의 혈장에서 유래한 다클론 항체로 구성되어 있지만, 비용이 높고 특정 신경독에 대한 효능이 제한적입니다. 연구진은 딥러닝을 이용하여 de novo 단백질을 설계하여 3FTx(Three-Finger Toxins) 계열의 α-신경독 및 세포독을 표적하는 단백질을 개발하였습니다.
- 고효율 단백질 설계 및 실험 검증: 설계된 단백질은 높은 열적 안정성, 강한 결합 친화성을 보이며, 컴퓨터 모델과 원자 수준에서 거의 일치하는 구조를 나타냈습니다. 실험적으로 세 가지 3FTx 서브패밀리를 효과적으로 중화하는 것이 확인되었으며, 쥐 실험에서도 신경독으로부터 보호 효과를 입증하였습니다.
- 전통적인 항독소 치료법의 한계 극복: 기존의 항독소는 생산 비용이 높고 냉장 유통망이 필요한 반면, 설계된 단백질은 저렴한 미생물 발효를 통해 대량 생산 가능하여 비용 절감 및 접근성을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 동물 면역을 필요로 하지 않아 윤리적 문제도 해결할 수 있습니다.
- 세포 실험 및 동물 모델에서의 유효성 검증: 인간 근육형 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR) 발현 세포 및 생쥐 모델에서 실험을 진행한 결과, 설계된 단백질이 신경독 및 세포독을 효과적으로 차단하고 생존율을 높이는 것이 확인되었습니다.
- 향후 전망 및 응용 가능성: 본 연구는 뱀독 치료뿐만 아니라, 다른 독성 단백질을 중화하는 치료제 개발에도 적용 가능할 것으로 보입니다. 또한, de novo 단백질 설계를 이용한 접근법은 저비용·고효율 치료제 개발을 가능하게 하여, 의료 접근성이 부족한 지역에서도 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.