إنجازات جديدة من فريق ديفيد بيكر! تطور انتشار الترددات الراديوية لتحقيق تصميم جديد للأجسام المضادة بدقة على المستوى الذري
في أواخر القرن التاسع عشر، أجرى عالم البكتيريا الألماني إميل أدولف فون بهرنغ أبحاثًا موسعة حول سموم الدفتيريا. في ذلك الوقت، كان مرض الدفتيريا بمثابة منجل إله الموت، الذي كان يحصد أرواح العديد من الأطفال بلا رحمة. في التجربة، حقن بهرينغ الأرانب بكميات ضئيلة من سم الدفتيريا، على أمل مراقبة ردود أفعالها وإيجاد طريقة لمحاربة السم. وبعد بضعة أيام، فوجئ عندما اكتشف أن الأرانب لم تمت فحسب، بل طورت أيضًا مقاومة للحقن اللاحقة من سم الدفتيريا. توصلت أبحاث أخرى إلى وجود مادة يمكنها تحييد سم الدفتيريا في مصل الأرانب.كانت هذه هي المرة الأولى التي يكتشف فيها البشر وجود الأجسام المضادة.لقد فتح هذا الاكتشاف العرضي الستار أمام تطبيق أبحاث الأجسام المضادة وأظهر الإمكانات الكبيرة لاستخدام قوة الجسم لمحاربة المرض.
بعد أكثر من قرن من الاستكشاف المتعمق، واصل العلماء بذل الجهود في مجال أبحاث الأجسام المضادة، ولكنهم لم يطوروا بعد مسارًا فعالًا يعتمد كليًا على التصميم الحاسوبي لتوليد أجسام مضادة جديدة ضد أنماط معينة من الجينات. اليوم،لا يزال اكتشاف الأجسام المضادة العلاجية يعتمد بشكل أساسي على طريقتين تقليديتين: تحصين الحيوانات أو الفحص العشوائي للمكتبات.وفي مواجهة تحديات الأمراض المعقدة بشكل متزايد، أصبحت قيود هذه الطرق التقليدية بارزة بشكل متزايد، وهناك حاجة ماسة إلى تحقيق اختراقات جديدة لتحقيق تصميم أكثر كفاءة ودقة للأجسام المضادة التي تستهدف أهدافًا محددة، وبالتالي جلب أمل جديد لأبحاث الأجسام المضادة.
ولحل مشكلة اكتشاف الأجسام المضادة بالاعتماد على الطرق التقليدية، قام فريق ديفيد بيكر، أستاذ الكيمياء الحيوية في جامعة واشنطن، وزملاؤه بدمج تصميم البروتين الحسابي لشبكة انتشار الترددات الراديوية الدقيقة مع فحص عرض الخميرة.لقد نجحنا في توليد VHHs ذات السلسلة الثقيلة المتغيرة للأجسام المضادة و scFvs ذات السلسلة المفردة المتغيرة والتي يمكنها الارتباط بنظائر محددة بدقة على المستوى الذري.لقد تم إثبات جدوى التصميم الجديد لمجالات الأجسام المضادة. يوفر هذا النهج إطارًا منطقيًا للتصميم الحسابي والفحص والعزل وتوصيف الأجسام المضادة المصممة حديثًا، مما يحقق الدقة على المستوى الذري في البنية واستهداف النمط الجيني.
وقد تم نشر نتائج البحث ذات الصلة كنسخة أولية على bioRxiv تحت عنوان "التصميم الدقيق ذريًا للأجسام المضادة باستخدام انتشار الترددات الراديوية".
عنوان الورقة:
https://doi.org/10.1101/2024.03.14.585103
يجمع مشروع المصدر المفتوح "awesome-ai4s" أكثر من 200 تفسير لورقة AI4S ويوفر مجموعات بيانات وأدوات ضخمة:
https://github.com/hyperai/awesome-ai4s
الابتكار التكنولوجي في أبحاث الأجسام المضادة: الإنجازات والتحديات التي تواجه الذكاء الاصطناعي
باعتبارها الفئة السائدة من الأدوية العلاجية البروتينية، أصبحت الأجسام المضادة هي أسلوب العلاج الأساسي في مجالات الأورام وأمراض المناعة الذاتية وما إلى ذلك بسبب خصوصيتها العالية وآثارها الجانبية المنخفضة. اعتبارًا من عام 2025، تمت الموافقة على أكثر من 160 دواءً للأجسام المضادة من قبل الهيئات التنظيمية في جميع أنحاء العالم، وقد نما حجم سوقها بمعدل سنوي متوسط قدره 15% في السنوات العشر الماضية.ومن المتوقع أن يصل حجمها إلى 445 مليار دولار أميركي في السنوات الخمس المقبلة.
لكن،لقد اعتمدت تقنية تطوير الأجسام المضادة التقليدية منذ فترة طويلة على تحصين الحيوانات والفحص العشوائي للمكتبات.مواجهة اختناقات كبيرة. يتطلب تحصين الحيوانات حقنًا متعددة من المستضدات لتحفيز الجهاز المناعي للحيوان على إنتاج الأجسام المضادة.تستغرق العملية عادة من 6 إلى 12 شهرًا.علاوة على ذلك، وبسبب الاختلافات في الاستجابات المناعية الفردية للحيوانات، فمن الصعب الحصول على أجسام مضادة فعالة للغاية ضد المستضدات المعقدة مثل بروتينات الغشاء. على الرغم من أن طرق الفحص العشوائية للمكتبات (مثل تقنية عرض البكتيريا العاثية) يمكن أن توسع نطاق الفحص، إلا أنها من الصعب تحفيز الاستجابات المناعية للمستضدات، مثل البروتينات غير المطوية أو النمط المعقد السكري، كما أن تقارب الأجسام المضادة التي تم فحصها منخفض بشكل عام.
من أجل كسر قيود التكنولوجيا التقليدية، أصبح التصميم الحسابي والذكاء الاصطناعي تدريجياً اتجاهات جديدة في البحث والتطوير في مجال الأجسام المضادة. نجحت الدراسات المبكرة في تحسين أداء الأجسام المضادة عن طريق تضمين البقايا في أطر الأجسام المضادة الموجودة، وتحسين تكوين منطقة التحديد التكميلية (حلقة CDR)، وتحويل واجهة التفاعل باستخدام خوارزمية روزيتا. على سبيل المثال،أظهرت دراسة أجريت عام 2018 أن تقارب الأجسام المضادة لـ PD-1 زاد بمقدار 20 مرة من خلال التصميم الحسابي.
في السنوات الأخيرة، ساهمت تقنية التعلم العميق في تعزيز توليد تسلسلات الأجسام المضادة. في عام 2023، استخدم فريق من جامعة ستانفورد الشبكات العصبية لتصميم أجسام مضادة محايدة واسعة النطاق ضد متغيرات فيروس كورونا الجديدة، وكان نشاطها في المختبر أعلى بثلاث مرات من نشاط الطرق التقليدية. في عام 2024،يتيح نموذج انتشار الترددات الراديوية الذي طوره فريق ديفيد بيكر إمكانية التصميم الجديد لبروتينات الارتباط دون الحاجة إلى بنية أساسية محددة مسبقًا.تحاكي هذه التقنية العملية الفيزيائية لطي البروتين لتوليد واجهة ارتباط تكمل بشكل كبير شكل النمط المستهدف، وقد نجحت في تصميم مثبطات جديدة ضد هيماجلوتينين فيروس الإنفلونزا. ومع ذلك، فإن هذه الدراسة لا تنطبق إلا على النمط الظاهري ذي الهياكل الثانوية المنتظمة، مثل حلزونات ألفا وطيات بيتا، في حين تعتمد الأجسام المضادة عادة على الهياكل الحلقية المعقدة (مثل CDR-H3) لتحقيق الارتباط، مما يجعل تطبيقها المباشر في تصميم الأجسام المضادة لا يزال يشكل تحديًا.
لا يزال تصميم الأجسام المضادة الدقيقة هيكليًا من الصفر، أي بدون تشابه مع الأجسام المضادة المعروفة، مشكلة لم يتم حلها، مع تحديات أساسية بما في ذلك محاكاة التكوين الديناميكي غير الكافية، ونقص البيانات عالية الجودة، ودورات التحقق التجريبية الطويلة.
تتضمن عملية ربط الأجسام المضادة تغييرات تكوينية في حلقات CDR المرنة، وتجد الخوارزميات الحالية صعوبة في محاكاة مثل هذه التفاعلات الديناميكية بدقة؛ في الوقت نفسه، يؤدي ندرة البيانات البنيوية حول مجمعات الأجسام المضادة والمستضدات إلى تقييد قدرة نماذج التعلم العميق على التعميم. على الرغم من أن التصميم الحسابي يمكن أن يقلل بشكل كبير من الوقت الأولي للبحث والتطوير، فإن تنقية التعبير واختبار النشاط لا يزالان يتطلبان عدة أسابيع، مما يشكل عنق زجاجة في الحلقة المغلقة للتكنولوجيا.قد تعتمد الاختراقات المستقبلية على تطوير خوارزميات هجينة لدمج النماذج الفيزيائية مع أدوات الذكاء الاصطناعي التوليدية.يتم دمج بيانات تسلسل الخلية الفردية والمجهر الإلكتروني المبرد على أساس بناء قاعدة بيانات عبر المقاييس، ويتم تحقيق التكرار في الوقت الحقيقي من خلال الأتمتة الروبوتية القائمة على نموذج البحث والتطوير "الحلقة المغلقة الجافة والرطبة".
من تحصين الحيوانات إلى التصميم الحاسوبي، لا يشكل ابتكار تكنولوجيا الأجسام المضادة تحولاً نموذجياً في مجال الطب الحيوي فحسب، بل يعكس أيضاً إمكانات التعاون متعدد التخصصات عبر الحدود. مع تطور الذكاء الاصطناعي وعلم الأحياء الاصطناعي، قد تتحقق تدريجيا رؤية تصميم الأجسام المضادة بالكامل من الصفر، مما يفتح فصلا جديدا للطب الدقيق.
ومن الجدير بالذكر أن مجال تصميم الأجسام المضادة الحاسوبية حقق في الآونة الأخيرة اختراقات رئيسية. في مارس 2025، قام فريق ديفيد بيكر بتطوير أداة جديدة لتوليد البروتين بالذكاء الاصطناعي تسمى RFdiffusion (تسمى: new RFdiffusion).تم إصدار نسخة جديدة من النموذج المحسّن خصيصًا لمناطق متغيرات الأجسام المضادة مثل حلقات CDR.وقد نجح الفريق في توليد شظايا أجسام مضادة وظيفية قصيرة السلسلة مثل الأجسام النانوية في دراسة أجريت في مارس 2024، ولكن بسبب تعقيد بنية الجسم المضاد، فإن الإصدار في ذلك الوقت (المسمى: انتشار الترددات الراديوية العادي) لا يزال يعاني من قيود في تصميم هياكل أجسام مضادة أكثر تعقيدًا.
بعد أكثر من عام من تكرار الخوارزمية، أصبح RFdiffusion الجديد قادرًا الآن على إنشاء جزء متغير أحادي السلسلة أكثر اكتمالاً من scFv وهو أقرب إلى الأجسام المضادة البشرية الطبيعية من خلال تقديم تدريب قاعدة بيانات بنية معقدة للأجسام المضادة والمستضد. ويمثل هذا التقدم علامةنجحت الذكاء الاصطناعي في تحقيق التصميم المنسق لسلاسل الأجسام المضادة الثقيلة والخفيفة مع مجالات ربط المستضد الكاملة دون الحاجة إلى قوالب.يجلب أملاً جديداً لتصميم الأجسام المضادة.
انتشار الترددات الراديوية الجديد: تصميم جديد للأجسام المضادة بدقة على المستوى الذري
لتكييف انتشار الترددات الراديوية مع تصميم الأجسام المضادة، أجرى فريق البحث بعض التعديلات الدقيقة بناءً عليه. كما هو موضح في الشكل أدناه، أثناء عملية التدريب، يتم استخدام إطار AlphaFold2/RF2 لتمثيل العمود الفقري للبروتين وإضافة الضوضاء إلى إطار البروتين من خلال سلسلة من "الخطوات الزمنية (T)" حتى يصبح الإطار غير قابل للتعرف عليه. في كل خطوة زمنية، يتنبأ انتشار RF بالهيكل الخالي من الضوضاء، والذي يتم تحسينه عن طريق تقليل خطأ المربع المتوسط mse بين الهيكل الحقيقي X₀ والهيكل المتوقع pX₀. بعد هذه الطريقة التدريبية الفريدة، تتمكن تقنية RFdiffusion من توليد هياكل بروتينية جديدة بشكل تدريجي بدءًا من توزيعات البقايا العشوائية في وقت الاستدلال.
وبعد ذلك، قامت الدراسة بتطبيق انتشار الترددات الراديوية الجديد لتصميم VHHs ذات الأجسام المضادة أحادية المجال. تم تصميم VHHs على أساس المجالات المتغيرة للأجسام المضادة للسلسلة الثقيلة للجمال، وحجمها الأصغر يجعل الجينات التي تشفر التصاميم أسهل وأقل تكلفة في التجميع من شظايا متغيرة أحادية السلسلة scFv أو شظايا مرتبطة بالمستضد Fab.
على الرغم من أن VHHs تحتوي على ثلاث حلقات CDR فقط، وهو أقل من ستة في الأجسام المضادة التقليدية، فإن متوسط مساحة سطح التفاعل في VHHs يشبه إلى حد كبير مساحة الأجسام المضادة التقليدية.ويشير هذا إلى أن النهج المستخدم في تصميم VHHs ينطبق أيضًا على تصميم الأجسام المضادة.
لتصميم VHHs، اختار الباحثون إطار عمل VHH هجين واسع الاستخدام كأساس، مستهدفين سلسلة من الأهداف المتعلقة بالمرض، بما في ذلك سموم Clostridium difficile B (TcdB)، وهيماجلوتينين H1 للإنفلونزا HA، وما إلى ذلك، وأجروا تصميم تسلسل حلقة CDR في سياق الهدف من خلال ProteinMPNN، ثم تم فحصها باستخدام شبكة RoseTTAFold2 الدقيقة. في تصميم حمض الهيالورونيك للإنفلونزا، من أجل جعل ظروف التصميم التجريبي متوافقة مع معلمات الحساب، استخدم الباحثون منتجات حمض الهيالورونيك أحادية المنتجة تجارياً والمعبر عنها في خلايا الحشرات لقياسات التقارب.
وتظهر النتائج أنيتيح انتشار الترددات الراديوية تصميم VHHs التي تتفاعل بشكل خاص مع النمط المستهدف.تظهر في الشكل أدناه أعلى الروابط ذات الألفة لموقع RSV III، وHA الإنفلونزا، وRBD، وTcdB، على التوالي. تختلف حلقات CDR بشكل كبير عن تلك الموجودة في VHHs الطبيعية، مما يشير إلى أن التصميم كان خارج نطاق مجموعة بيانات التدريب. بالنسبة لـ TcdB، فإن النمط المستهدف هو واجهة Frizzled-7 ولا توجد أجسام مضادة أو VHHs تستهدف هذا الموقع في PDB. علاوة على ذلك، قام TcdB VHH بتحييد سمية TcdB في خلايا CSPG4 الخارجة عن السيطرة.
* الشكل AC: نتائج اختبار تصميم VHH الذي يستهدف موقع RSV III، وإنفلونزا HA، وRBD، وTcdB
* الشكل E: الفرق بين تصميم VHH ومجموعة بيانات التدريب
كما استكشف الباحثون قدرة انتشار الترددات الراديوية على هندسة سلاسل ثقيلة وخفيفة في شكل شظية متغيرة من سلسلة واحدة scFv. على عكس VHHs، فإن تصميم scFv أكثر تعقيدًا ويتطلب إنشاء جميع CDRs الستة وأنماط الالتحام الخاصة بها على كل من السلاسل الثقيلة والخفيفة. ومع ذلك، يواجه تخليق جين scFv تحديات. من ناحية أخرى، فإن تسلسل scFv طويل ويصعب تجميعه باستخدام أزواج الأوليجونوكليوتيدات التقليدية. من ناحية أخرى، تتمتع scFvs بتشابه تسلسلي عالي، مما يجعل الاقتران المحدد صعبًا.
ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون بتطوير بروتوكول تجميع تدريجي لتحقيق بناء سلاسل ثقيلة وخفيفة.يمكن إقرانها بشكل خاص حسب نموذج التصميم أو دمجها وخلطها في مجموعات فرعية من التصميمات ذات أوضاع ربط مستهدفة مماثلة.أظهرت النتائج التجريبية أن scFvs الجديدة التي تم إنشاؤها عن طريق الجمع بين أزواج السلاسل الثقيلة والخفيفة ذات التصميمات المختلفة كانت قادرة على الارتباط بالنمط المستهدف بنفس التردد مثل التصميم الأصلي. علاوة على ذلك، في المجموعات المصممة بنفس اتجاه الربط، تتفاعل CDRs للسلاسل الثقيلة والخفيفة مع مناطق مختلفة ويمكن دمجها دون فقدان الدقة البنيوية، في حين نادرًا ما ينتج الاقتران العشوائي روابط متوقعة.
* الشكل أ: محاذاة تسلسل متعددة لـ 6 scFvs مرتبطة بـ TcdB
* الشكل ب: البنية المتوقعة لـ AlphaFold3 لـ scFv5 وscFv6 في المركب مع مجال ربط مستقبل TcdB
ديفيد بيكر: تطور الأجسام المضادة وانتشار الترددات الراديوية
إن هذه الدراسة هي في الواقع مجرد قمة جبل الجليد بالنسبة لنتائج أبحاث ديفيد بيكر. في الواقع، نجح فريق ديفيد بيكر، في طليعة علم الأحياء الحسابي، في تحقيق سلسلة من الإنجازات بدءًا من استهداف الفيروسات وحتى علاج الأمراض من خلال تصميم البروتين المعتمد على الذكاء الاصطناعي.
ومن بينها، أصبح نموذج انتشار الترددات الراديوية أساسًا مهمًا لهم لتغيير نموذج تطوير أدوية الأجسام المضادة. في عام 2021، قام فريق David Baker بتطوير RosettaFold استنادًا إلى إطار عمل AlphaFold2.وتقتصر قدراتها الأساسية على التنبؤ بالهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات المعروفة.
* عنوان المصدر المفتوح RoseTTAFold:
https://github.com/RosettaCommons/RoseTTAFold
وسرعان ما أدرك فريق البحث أن الثورة الحقيقية تكمن في "التوليد" وليس في "التكاثر". لذلك قاموا بدمج نموذج الانتشار وخوارزمية طي البروتين وأطلقوا الجيل الأول من RFdiffusion في عام 2023. هذا النموذج يشبه الحصول على مفتاح الهندسة العكسية: تتطلب الطريقة التقليدية استنتاج البنية من تسلسل الأحماض الأمينية.يمكن أن يؤدي انتشار الترددات الراديوية إلى توليد هيكل بروتيني جديد بشكل عكسي استنادًا إلى المتطلبات الوظيفية المستهدفة.في الاختبارات المبكرة، نجح في تصميم جسم نانوي يرتبط بالهيماجلوتينين الخاص بالإنفلونزا، ولكن منطقة حلقة CDR للجسم المضاد الذي تم إنشاؤه لا تزال بها انحرافات تكوينية، وأظهر المجهر الإلكتروني بالتبريد انحرافًا في الجذر التربيعي المتوسط بمقدار 1.2Å في واجهة الارتباط.
* عنوان الورقة:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8754
وقد دفع هذا القيد إلى تقديم ترقية رئيسية في عام 2024 - نظام ضبط ديناميكي.أضاف فريق البحث قيودًا خاصة بالمعلمات الفيزيائية والكيميائية لموقع ربط المستضد بالجسم المضاد إلى النموذج، بحيث لا تأخذ عملية التوليد في الاعتبار الاستقرار البنيوي فحسب، بل تحاكي أيضًا التفاعلات الديناميكية بين الجزيئات.
أظهر انتشار RF المحدث أداءً جيدًا للغاية في تصميم جسم مضاد لبروتين سبايك الجديد لفيروس كورونا: حيث قام الهيكل الحلقي المرن الذي بناه بقفل النمط الظاهري المحفوظ على سطح الفيروس بدقة، وهو ما تم التحقق منه من خلال التجارب.تصل قدرته على الارتباط إلى 0.8 نانومول، وهو ما يزيد بمقدار 15 مرة عن الأجسام المضادة الطبيعية.والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذا النموذج يبدأ في تحدي الأهداف "غير القابلة للعلاج": يحتوي الجسم المضاد المصغر المصمم لمستقبل IL-23 على 58 حمضًا أمينيًا فقط، ولكنه يمكن أن يظل نشطًا في درجة حرارة عالية تبلغ 80 درجة مئوية وفي بيئة البيبسين، مما يحقق الإعطاء الفموي للأجسام المضادة لأول مرة.
* عنوان الورقة:
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.14.585103v2
في عام 2025، دخلت تقنية RFdiffusion مرحلة الاندماج المتعدد الوسائط. قام الفريق بدمج بيانات تسلسل الخلية الفردية ومكتبات بنية المجهر الإلكتروني المبرد، مما يتيح للنموذج تخصيص الأجسام المضادة الشخصية بشكل مباشر بناءً على خصائص الجهاز المناعي للمريض. وفي الحالة الأخيرة، تم حقن مريض مصاب بسرطان الرئة المقاوم للأدوية بمستضدات الورم الجديدة في النظام.أدى انتشار RF إلى إنتاج 12 جسمًا مضادًا مرشحًا في غضون 36 ساعة، أظهرت ثلاثة منها تأثيرات كبيرة في قتل الورم في النماذج العضوية.لم يعد النموذج يقتصر على تصميم الأجسام المضادة: فهو يستكشف تركيب عناصر البروتين بين الأنواع، مثل دمج القنوات الأيونية الحساسة للميكانيكا في بكتيريا الباريتوسكوبيا في أعماق البحار مع الأجسام المضادة البشرية لإنشاء أدوية ذكية يمكنها استشعار التغيرات في درجة حموضة البيئة المحيطة بالورم.
* عنوان الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08393-x
يمكننا أن نرى أن تقنية انتشار الترددات الراديوية تتحول من "طابعة بروتين ثلاثية الأبعاد" إلى "مهندس وظيفة الحياة"، مما يعيد تعريف حدود علم الأحياء الاصطناعي. والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذا التطور لا يزال بعيدًا عن الوصول إلى نهايته، وأن الابتكارات في تكنولوجيا الأجسام المضادة تدفع المجال الطبي الحيوي إلى آفاق جديدة.