مختبر Baker يصمم بروتيازات بالذكاء الاصطناعي لشطر البروتينات المرتبطة بالأمراض

نشرت مجموعتان من معهد تصميم البروتينات في جامعة واشنطن أوراقًا بحثية في مجلة Nature في 14 أكتوبر 2026، أفادتا فيها بتصميم بروتيازات من الصفر باستخدام أساليب حاسوبية، بحيث تحلّل مائيًا العمود الفقري متعدد الببتيد عند تسلسلات محددة، بما فيها مواقع في البروتينات البشرية المرتبطة بالأمراض TDP-43 والأميلويد-β والأميلويد A المصلي.

تظل الروابط الأميدية التي تصل الأحماض الأمينية على امتداد العمود الفقري الببتيدي مستقرة لمئات السنين في محلول مائي متعادل، بسبب حاجز الطاقة المرتفع اللازم للتحلل المائي؛ وتشير ورقة بحثية عن بروتيازات السيستئين إلى أن نجاح تصميم الإنزيمات من الصفر كان في السابق محدودًا إلى حد كبير بتفاعلات نموذجية ذات حواجز طاقة منخفضة. أنتجت إحدى الدراستين بروتيازات معدنية قائمة على الزنك، فيما أنتجت الأخرى بروتيازات تعمل عبر نوكليوفيل سيستئين منشّط. وتذكر الورقتان David Baker بوصفه مؤلفًا مراسلًا، كما أن Donald Hilvert من ETH Zurich مؤلف مراسل في كلتيهما.

مسار تصميم بروتياز معدني قائم على الزنك

في التصميم الحاسوبي للبروتيازات المعدنية، يشرح المؤلفان المشاركان الأولان Anqi Chen وKejia Wu وزملاؤهما استخدام أساليب RFdiffusion لتصميم بروتينات تحمل مواقع نشطة قائمة على الزنك لتنشيط الماء، وتقع بمحاذاة جيب ارتباط الركيزة الببتيدية. وتفيد الورقة بأن 36% من أصل 135 تصميمًا خضعت للاختبار حفّزت شطر ركائزها الببتيدية المطابقة عند الرابطة المستهدفة القابلة للشطر. وسرّع أفضل تصميم أولي التحلل المائي للرابطة الببتيدية بأكثر من 10⁸ مرة مقارنة بالتفاعل غير المحفَّز، ثم رفعت أربعة استبدالات هذا التسارع إلى أكثر من 10¹⁰ مرة عبر تحسين التهيئة المسبقة للموقع النشط، وفقًا للورقة.

جمعت عملية التوليد بين جولة أولى من إنشاء العمود الفقري انطلاقًا من قالب بنيوي، وتصميم التسلسل، والتصفية باستخدام AlphaFold 3؛ تلتها جولتان من التنقيح عبر الانتشار الجزئي، مع مزيد من تصميم التسلسل والتصفية؛ ثم تكرار أخير للتصميم التسلسلي والتصفية باستخدام AlphaFold 3. ولتحسين تصميم اسمه Zn45، فحص الفريق 378 متغيرًا مشبعًا أحادي الموقع عبر 21 موضعًا من البقايا، و148 متغيرًا توافقيًا عبر ستة مواضع، ما أسفر عن متغير محسّن هو Zn45_v2، وجرى توصيفه بقياسات العدد الإجمالي للدورانات الحفزية والقياسات الحركية وفق معادلة Michaelis–Menten.

حدّد الباحثون البنى البلورية لتصاميم شملت Zn5 وTDPr3 وZnO7 وZn48، وأودعوها في بنك بيانات البروتينات تحت أرقام الإيداع 11CE و11CM و11CP و11CR و11CU و11CY و11DU. وفحصت حسابات حقول القوة المعتمدة على التعلم الآلي طاقات التنشيط لخطوة الهجوم النوكليوفيلي في إنزيم astacin الطبيعي، وهو بروتياز زنك، وفي التصميمين ZnO7 وZn45. وبيانات الدراسة ورمزها البرمجي متاحان على Zenodo.

شطر انتقائي للبروتينات المرتبطة بالأمراض

تفيد ورقة البروتيازات المعدنية بأن التصاميم تشطر انتقائيًا البروتينات البشرية المرتبطة بالأمراض TDP-43 والأميلويد-β والأميلويد A المصلي، مع زيادة في المعدل تصل إلى 10⁹ مرة. ومن الأمثلة المذكورة TDPr3، الموجّه إلى TDP-43؛ وSAAc8، الموجّه إلى الأميلويد A المصلي عند التسلسل SSRSFFSFLG؛ وAbetaF3، الموجّه إلى الأميلويد-β عند التسلسل KGAIIGLMVG.

في حالة TDP-43، أعاد المؤلفون تصميم هيكل موجود ليشطر البروتين داخل نطاقه الطرفي C غير المنتظم، الذي يتحكم في انفصال الطور سائل-سائل وتكوّن القلة، بدلًا من تحطيم البروتين كامل الطول. وتعرض الورقة هذه الاستراتيجية بوصفها وسيلة لتعديل سلوك الطور هذا وتكوّن القلة، من دون إبطال الوظائف النووية الأساسية للنطاقات البنيوية في البروتين.

وصمّم الفريق أيضًا سيتوكينات محجوبة ومضادات لمستقبلات، تنشّطها البروتيازات المصممة انتقائيًا؛ وتصف الورقة ذلك بأنه يتيح التحكم المتعامد حيويًا في حالة الخلية. ويخلص المؤلفون إلى أن التصميم من الصفر يمكن أن ينتج بروتيازات عالية النشاط قابلة للبرمجة، مع تطبيقات محتملة في العلاجات والتكنولوجيا الحيوية والمعالجة الحيوية.

يفيد بيان تضارب المصالح بإيداع طلبي براءة اختراع مؤقتين رقماهما 64/047,504 و63/921,483، ويتعلقان بجوانب من الأساليب والتصاميم، ويذكر Chen وWu وChoi وPreetham Venkatesh وSamuel J. Pellock وHilvert وAsim K. Bera وBaker بوصفهم مخترعين أو مساهمين.

عائلة ثانية من البروتيازات قائمة على السيستئين

استخدمت الدراسة الثانية، التصميم من الصفر لبروتيازات السيستئين، التي كان Hojae Choi مؤلفها الأول، أسلوبًا جديدًا للتعلم العميق يُسمى RFD2-MI، طوّره عضوا الفريق Brian Coventry وMagnus S. Bauer، لتصميم إنزيمات تستخدم نوكليوفيل سيستئين منشّطًا لتحليل العمود الفقري متعدد الببتيد مائيًا بطريقة تعتمد على التسلسل. وتفيد الورقة بتحقيق 13 تصميمًا نشطًا من أصل 69 تصميمًا خضع للاختبار، أي 19%، مع زيادة في المعدل مقارنة بالتفاعل الأساسي تصل إلى 3 × 10⁷.

تتخذ البروتيازات المصممة طيات تختلف كثيرًا عن طيات البروتيازات الطبيعية، إذ تقل درجة TM عن 0.50، كما تتطابق ستة تراكيب بلورية مع نماذج التصميم بانحراف جذري لمتوسط مربعات المسافات لـ Cα يقل عن 1.2 Å، وفقًا للورقة. وأُودعت التراكيب في بنك بيانات البروتينات تحت أرقام الإيداع 9YNL و9YNM و9YOX و9YOY و9YOZ و9YP0. وتناوب مسار التصميم بين توليد العمود الفقري باستخدام RFD2-MI وتصميم التسلسل باستخدام ProteinMPNN والتصفية باستخدام AlphaFold 3.

في إحدى جولات إعادة التصميم التي أُجريت على بروتياز يُسمى Dokki، تفوّق 24 من أصل 89 متغيرًا مُولّدًا على التصميم الأصلي، إذ تراوحت الزيادة في المعدل بين 1.2 و31 ضعفًا، وسُمّي المتغير الذي حقق أكبر تحسّن Dokki-15. ويفيد البحث بأن البروتيازات المصممة شطرت أهدافها بكفاءة داخل خلايا الثدييات؛ وقد أُظهر ذلك في خلايا HeLa باستخدام اختبار مراسل يتتبّع إعادة تموضع الركيزة المعتمدة على الإنزيم، مع استخدام طافرات غير نشطة تحفيزيًا بوصفها ضوابط. وتعزو التحليلات التجريبية والحاسوبية التي أجراها المؤلفون الفجوة المتبقية في النشاط مقارنةً بأنشط البروتيازات الطبيعية من نوع السيستئين إلى أوجه قصور في التهيئة المسبقة للموقع النشط وتموضع الركيزة.

تاريخ النشر والتمويل والشفرة البرمجية

تلقّت مجلة Nature البحثين في 14 أكتوبر 2025؛ وقُبل بحث بروتياز السيستئين في 9 سبتمبر 2026، وقُبل بحث البروتيازات المعدنية في 15 سبتمبر 2026. وظهرت نسخ سابقة منهما بوصفها مسودات أولية على bioRxiv في نوفمبر 2025، إذ نُشر بحث بروتياز السيستئين في 22 نوفمبر 2025، ونُشر بحث البروتيازات المعدنية للمرة الأولى في 21 نوفمبر 2025، ثم نُقّح حتى صدور نسخته الرابعة في 27 سبتمبر 2026.

تذكر بيانات التمويل معهد هوارد هيوز الطبي، ومؤسسة بيل وميليندا غيتس، ووكالة الحد من التهديدات الدفاعية، والمؤسسة الوطنية للعلوم، والمعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية والمعهد الوطني للشيخوخة التابعين للمعاهد الوطنية للصحة، وبرنامج APECx التابع لوكالة مشاريع البحوث المتقدمة للصحة، ومشروع أوداشس في معهد تصميم البروتين، ومشروع أوبن فيلانثروبي، إلى جانب جهات تمويل أخرى. وشيفرة التصميم والتحليل الخاصة ببحث بروتياز السيستئين متاحة للجمهور في مستودعين على GitHub، وأعلن مؤلفو بحث السيستئين عدم وجود مصالح متنافسة.