Baker Lab ออกแบบโปรตีเอสด้วย AI ให้ตัดโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับโรค

สองทีมจาก Institute for Protein Design แห่ง University of Washington ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2026 รายงานการออกแบบโปรตีเอสขึ้นใหม่ทั้งหมดด้วยวิธีการเชิงคำนวณ ซึ่งสามารถไฮโดรไลซ์แกนหลักพอลิเพปไทด์ ณ ลำดับที่เลือกไว้ รวมถึงตำแหน่งในโปรตีนของมนุษย์ที่เกี่ยวข้องกับโรค ได้แก่ TDP-43, amyloid-β และ serum amyloid A

พันธะเอไมด์ที่เชื่อมกรดอะมิโนตามแนวแกนหลักของเปปไทด์มีความเสถียรนานหลายร้อยปีในสารละลายน้ำที่เป็นกลาง เนื่องจากมีอุปสรรคด้านพลังงานสูงต่อการไฮโดรไลซิส และก่อนหน้านี้ความสำเร็จในการออกแบบเอนไซม์ขึ้นใหม่ทั้งหมดส่วนใหญ่ยังจำกัดอยู่ที่ปฏิกิริยาต้นแบบซึ่งมีอุปสรรคด้านพลังงานต่ำ บทความเกี่ยวกับโปรตีเอสซิสเทอีนระบุ งานวิจัยหนึ่งสร้างเมทัลโลโปรตีเอสที่มีสังกะสีเป็นองค์ประกอบ ส่วนอีกงานสร้างโปรตีเอสที่ทำงานผ่านนิวคลีโอไฟล์ซิสเทอีนที่ถูกกระตุ้น บทความทั้งสองระบุชื่อ David Baker เป็นผู้เขียนที่รับผิดชอบการติดต่อ และ Donald Hilvert จาก ETH Zurich เป็นผู้เขียนที่รับผิดชอบการติดต่อในบทความทั้งสอง

กระบวนการออกแบบเมทัลโลโปรตีเอสที่มีสังกะสีเป็นองค์ประกอบ

ในบทความเรื่อง การออกแบบเมทัลโลโปรตีเอสด้วยวิธีการเชิงคำนวณ ผู้เขียนร่วมอันดับหนึ่ง Anqi Chen และ Kejia Wu พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงาน อธิบายการใช้วิธี RFdiffusion เพื่อออกแบบโปรตีนที่มีตำแหน่งทำงานซึ่งใช้สังกะสีเป็นองค์ประกอบในการกระตุ้นน้ำ อยู่ติดกับช่องจับสารตั้งต้นเปปไทด์ บทความรายงานว่า จากแบบที่ทดสอบ 135 แบบ มี 36% ที่เร่งปฏิกิริยาการตัดสารตั้งต้นเปปไทด์คู่จำเพาะ ณ พันธะเป้าหมายที่ต้องการตัด แบบเริ่มต้นที่ดีที่สุดเร่งการไฮโดรไลซิสพันธะเปปไทด์ได้มากกว่า 10⁸ เท่าเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาที่ไม่มีตัวเร่ง และการแทนที่กรดอะมิโน 4 ตำแหน่งช่วยเพิ่มอัตราการเร่งดังกล่าวเป็นมากกว่า 10¹⁰ เท่า ด้วยการปรับการจัดเรียงล่วงหน้าของตำแหน่งทำงานให้ดีขึ้น ตามที่บทความระบุ

กระบวนการสร้างแบบประกอบด้วยการสร้างแกนหลักโดยอาศัยแม่แบบลวดลายเริ่มต้น 1 รอบ ตามด้วยการออกแบบลำดับกรดอะมิโนและการคัดกรองด้วย AlphaFold 3 จากนั้นจึงปรับแต่งด้วยการแพร่บางส่วน 2 รอบ พร้อมออกแบบลำดับและคัดกรองเพิ่มเติม และปิดท้ายด้วยการทำซ้ำระหว่างการออกแบบลำดับกับการคัดกรองด้วย AlphaFold 3 ในการปรับแบบที่มีชื่อว่า Zn45 ให้เหมาะสม ทีมวิจัยได้คัดกรองตัวแปรที่เปลี่ยนกรดอะมิโนตำแหน่งเดียวแบบครอบคลุม 378 แบบ ในตำแหน่งกรดอะมิโน 21 ตำแหน่ง และตัวแปรแบบผสม 148 แบบ ใน 6 ตำแหน่ง จนได้ตัวแปรที่ปรับปรุงแล้วชื่อ Zn45_v2 ซึ่งนำไปวิเคราะห์ด้วยการวัดจำนวนรอบการเร่งปฏิกิริยารวมและจลนศาสตร์แบบ Michaelis–Menten

นักวิจัยหาค่าโครงสร้างผลึกของแบบต่าง ๆ ซึ่งรวมถึง Zn5, TDPr3, ZnO7 และ Zn48 แล้วฝากข้อมูลไว้ใน Protein Data Bank ภายใต้รหัสระเบียน 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY และ 11DU การคำนวณด้วยสนามแรงที่เรียนรู้จากแมชชีนเลิร์นนิงใช้ตรวจสอบพลังงานกระตุ้นในขั้นการโจมตีด้วยนิวคลีโอไฟล์ของแอสตาซิน ซึ่งเป็นโปรตีเอสสังกะสีตามธรรมชาติ รวมถึงแบบ ZnO7 และ Zn45 ข้อมูลและโค้ดของงานวิจัยนี้เผยแพร่ไว้ที่ Zenodo

การตัดโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับโรคอย่างจำเพาะ

บทความเกี่ยวกับเมทัลโลโปรตีเอสรายงานแบบที่ตัดโปรตีนของมนุษย์ซึ่งเกี่ยวข้องกับโรคได้อย่างจำเพาะ ได้แก่ TDP-43, amyloid-β และ serum amyloid A โดยเพิ่มอัตราปฏิกิริยาได้สูงสุด 10⁹ เท่า ตัวอย่างที่ระบุชื่อ ได้แก่ TDPr3 ซึ่งมุ่งเป้าไปที่ TDP-43; SAAc8 ซึ่งมุ่งเป้าไปที่ serum amyloid A ณ ลำดับ SSRSFFSFLG; และ AbetaF3 ซึ่งมุ่งเป้าไปที่ amyloid-β ณ ลำดับ KGAIIGLMVG

สำหรับ TDP-43 ผู้เขียนปรับโครงร่างโปรตีนที่มีอยู่เดิมใหม่ให้ตัดภายในโดเมนปลาย C ที่ไม่มีโครงสร้างแน่นอนของโปรตีน ซึ่งควบคุมการแยกเฟสของเหลว-ของเหลวและการเกิดโอลิโกเมอร์ แทนที่จะย่อยสลายโปรตีนทั้งสาย บทความนำเสนอกลยุทธ์นี้ว่าเป็นวิธีปรับพฤติกรรมการแยกเฟสและการเกิดโอลิโกเมอร์ดังกล่าว โดยไม่ทำลายหน้าที่สำคัญของโดเมนที่มีโครงสร้างในนิวเคลียสของโปรตีน

นอกจากนี้ ทีมยังออกแบบไซโตไคน์แบบถูกกักไว้และสารต้านตัวรับ ซึ่งโปรตีเอสที่ออกแบบขึ้นสามารถกระตุ้นได้อย่างจำเพาะ โดยบทความระบุว่าวิธีนี้ช่วยให้ควบคุมสถานะของเซลล์ได้ด้วยกลไกชีวภาพที่ไม่รบกวนระบบอื่น ผู้เขียนสรุปว่าการออกแบบขึ้นใหม่ทั้งหมดสามารถสร้างโปรตีเอสที่มีฤทธิ์สูงและตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งอาจนำไปใช้ในการรักษา เทคโนโลยีชีวภาพ และการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมด้วยชีววิธี

เอกสารเปิดเผยผลประโยชน์ทับซ้อนระบุว่าได้ยื่นคำขอรับสิทธิบัตรชั่วคราวหมายเลข 64/047,504 และ 63/921,483 ซึ่งเกี่ยวข้องกับบางส่วนของวิธีการและแบบที่ออกแบบไว้ โดยระบุชื่อ Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera และ Baker ในฐานะผู้ประดิษฐ์หรือผู้มีส่วนร่วม

ตระกูลโปรตีเอสอีกกลุ่มที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของซิสเทอีน

งานวิจัยชิ้นที่สองเรื่อง การออกแบบโปรตีเอสซิสเทอีนขึ้นใหม่ทั้งหมด ซึ่งมี Hojae Choi เป็นผู้เขียนอันดับหนึ่ง ใช้วิธีการเรียนรู้เชิงลึกแบบใหม่ที่เรียกว่า RFD2-MI ซึ่งพัฒนาโดยสมาชิกทีม Brian Coventry และ Magnus S. Bauer เพื่อออกแบบเอนไซม์ที่ใช้นิวคลีโอไฟล์ซิสเทอีนที่ถูกกระตุ้นไฮโดรไลซ์แกนหลักพอลิเพปไทด์ในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับลำดับ บทความรายงานว่า จากแบบที่ทดสอบ 69 แบบ มี 13 แบบที่ออกฤทธิ์ คิดเป็น 19% และเพิ่มอัตราปฏิกิริยาได้สูงสุด 3 × 10⁷ เท่าเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาพื้นหลัง

บทความรายงานว่าโปรตีเอสที่ออกแบบขึ้นมีโครงสร้างพับตัวแตกต่างจากโปรตีเอสตามธรรมชาติอย่างมาก โดยมีคะแนน TM ต่ำกว่า 0.50 และโครงสร้างผลึก 6 โครงสร้างสอดคล้องกับแบบจำลองการออกแบบ โดยมีค่าความเบี่ยงเบนรากกำลังสองเฉลี่ยของ Cα ต่ำกว่า 1.2 Å โครงสร้างเหล่านี้ฝากไว้ใน Protein Data Bank ภายใต้รหัสระเบียน 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ และ 9YP0 กระบวนการออกแบบทำงานเป็นวงรอบระหว่างการสร้างแกนหลักด้วย RFD2-MI การออกแบบลำดับกรดอะมิโนด้วย ProteinMPNN และการคัดกรองด้วย AlphaFold 3

ในการปรับแบบ protease ที่ชื่อ Dokki รอบหนึ่ง มีตัวแปรที่สร้างขึ้น 24 จาก 89 แบบทำงานได้ดีกว่าแบบต้นฉบับ โดยมีอัตราการปรับปรุงตั้งแต่ 1.2 ถึง 31 เท่า และตัวแปรที่ปรับปรุงได้มากที่สุดได้รับชื่อว่า Dokki-15 งานวิจัยรายงานว่า protease ที่ออกแบบขึ้นสามารถตัดเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยแสดงผลในเซลล์ HeLa ผ่านการทดสอบด้วย reporter assay ที่ติดตามการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของสารตั้งต้นซึ่งขึ้นอยู่กับเอนไซม์ และใช้ mutant ที่ไม่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาเป็นตัวควบคุม ผู้เขียนระบุจากการวิเคราะห์ทั้งเชิงทดลองและเชิงคำนวณว่า ช่องว่างด้านฤทธิ์ที่ยังเหลืออยู่เมื่อเทียบกับ cysteine protease ตามธรรมชาติที่มีฤทธิ์สูงที่สุดนั้น เกิดจากความไม่สมบูรณ์ในการจัดเตรียมบริเวณเร่งปฏิกิริยาล่วงหน้าและการจัดตำแหน่งสารตั้งต้น

ประวัติการตีพิมพ์ เงินทุนสนับสนุน และโค้ด

Nature ได้รับบทความทั้งสองฉบับเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2025 โดยบทความเกี่ยวกับ cysteine protease ได้รับการตอบรับเมื่อวันที่ 9 กันยายน 2026 และบทความเกี่ยวกับ metalloprotease ได้รับการตอบรับเมื่อวันที่ 15 กันยายน 2026 เวอร์ชันก่อนหน้าเผยแพร่เป็น preprint บน bioRxiv ในเดือนพฤศจิกายน 2025 โดย งานศึกษา cysteine protease เผยแพร่เมื่อวันที่ 22 พฤศจิกายน 2025 ส่วน งานศึกษา metalloprotease เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน 2025 และได้รับการปรับปรุงต่อเนื่องจนถึงเวอร์ชันที่สี่เมื่อวันที่ 27 กันยายน 2026

ข้อความเกี่ยวกับเงินทุนระบุชื่อ Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institute of Allergy and Infectious Diseases และ National Institute on Aging ในสังกัด National Institutes of Health, โครงการ APECx ของ Advanced Research Projects Agency for Health, The Audacious Project ที่ Institute for Protein Design และ Open Philanthropy Project รวมถึงผู้ให้ทุนรายอื่น ๆ โค้ดสำหรับการออกแบบและวิเคราะห์งานศึกษา cysteine protease เปิดให้สาธารณชนเข้าถึงได้ใน GitHub repository สองแห่ง และผู้เขียนบทความเกี่ยวกับ cysteine protease ระบุว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน