全世界每年有 540 万人被蛇咬伤！AI 竟让抗蛇毒有了新突破……

传统(chuántǒng)抗蛇毒血清需要数月时间，依赖动物免疫，而如今，诺奖团队开发的 AI“蛋白质设计师”只需几秒钟的时间去定制(dìngzhì)设计一款(yīkuǎn)蛋白。

这项突破不仅让抗(kàng)蛇毒血清的耐热性突破 78℃、成本(chéngběn)直降 90%，更预示着人类正式进入“AI 造药”新时代。

蛋白质是生命活动的“全能选手”，从细胞结构到免疫防御，全靠它(tā)“撑场子”。虽然由 20 种氨基酸(ānjīsuān)通过肽键连接形成，但排列组合方式多到“爆炸(bàozhà)”！

如果考虑所有可能的氨基酸排列方式，理论上，蛋白质的种类几乎是无限的。仅 100 个氨基酸的链条，就能拼出 20*100 种可能，比(bǐ)宇宙原子总数(zǒngshù)还多(duō)！虽然(suīrán)蛋白质的种类几乎无穷，但它们都由 20 种基本氨基酸按照不同顺序和组合方式构成。

生物体内的蛋白质种(zhǒng)类受基因(jīyīn)编码的限制，例如人类基因组大约编码 2 万种蛋白质，而(ér)通过剪切、翻译后(hòu)修饰等机制，最终可能形成几十万种功能各异的蛋白质。不同物种、不同细胞类型甚至相同细胞在不同状态下，都可能表达出不同的蛋白质组合。

蛋白质(dànbáizhì)(dànbáizhì)设计就是利用科学方法让氨基酸以不同的(de)排列方式“定制”蛋白质，使其具备特定的结构和功能(gōngnéng)。就像用不同的积木搭建出(chū)独特的模型，科学家根据需求排列组合氨基酸，从而创造新的蛋白质。借助计算机模拟和人工智能，我们可以更精准地预测和优化蛋白质结构，让它们更稳定、更高效地完成目标任务。

最近科学家通过 AI 设计“抗蛇毒蛋白”，仅用几秒钟(jǐmiǎozhōng)就可以完成人类(rénlèi)百年抗蛇毒的问题。

“慢”！“贵”！“难(nán)”！

据 WHO 统计，全世界每年有(yǒu) 540 万人被蛇咬伤，约(yuē) 13 万人死于蛇咬伤，因蛇咬伤截肢等造成残疾的人数大约是 39 万人。蛇毒中的毒性成分进入(jìnrù)人体后，会迅速对人体的神经系统(xìtǒng)、心血管系统、凝血系统以及各类细胞等造成损伤。

全世界每年(měinián)约有 540 万人被蛇咬伤(shéyǎoshāng)。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

正常(zhèngcháng)情况下，免疫系统对于曾经接触过的病原体能快速做出(zuòchū)反应，但绝大多数人在被蛇咬之前(zhīqián)并没有接触过蛇毒。所以，被蛇咬后人体自身的免疫防御很难马上起效，往往需要借助外部的抗(kàng)蛇毒血清等治疗手段来尽快中和蛇毒，避免蛇毒对身体造成更严重的伤害。

然而，世界上许多地区都存在严重的抗蛇毒血清不足(bùzú)。

首先，需要从毒蛇体内提取出毒液，再将少量毒液注射到马或羊(yáng)等动物的体内，诱导免疫反应的产生。经过(jīngguò)多次免疫后，再从动物体内采集血液，分离(fēnlí)出血清，即可获得有效的抗蛇毒血清。

一套流程下来，耗时(hàoshí)数月，成本高昂，同时不同(bùtóng)地区的蛇种不同，毒液成分差异大，传统血清难以覆盖所有蛇毒。

传统的抗蛇毒血清制备过程。图片来源：参考文献(cānkǎowénxiàn)[1]

AI 出手，抗(kàng)蛇毒血清更加有效

近年来，针对(zhēnduì)传统抗蛇毒血清制备方法的(de)改进研究取得了显著进展，尤其是人工智能（AI）与计算机辅助设计技术(jìshù)的融合为抗蛇毒血清研发带来了新的突破。

2025 年，美国华盛顿大学蛋白质设计研究所的 David Baker 团队在《自然》（Nature）杂志(zázhì)发表(fābiǎo)重磅研究。

他们开发的(de) RFdiffusion 深度学习方法，可以模拟出(mónǐchū)对(duì)一种广泛存在于蛇毒(shédú)中的小型蛋白毒素(dúsù)——三指毒素，具有高亲和力和高特异性的结合蛋白。另外，通过计算设计出的抗蛇毒蛋白具有高热稳定性，可通过微生物发酵策略大规模生产，和传统血清制备技术比起来，极大地降低了生成成本。

发表在《自然(zìrán)》杂志上的研究。图片来源：参考文献[3]

RFdiffusion 可以(kěyǐ)生成具有特定功能的蛋白质结构，其工作(gōngzuò)原理可以分为几个部分：

数据训练：通过分析(fēnxī)大量已知蛋白质结构，模型掌握了蛋白质形成的(de)规律。

结构(jiégòu)生成：从随机初始化的蛋白质状态出发，逐步(zhúbù)调整氨基酸残基的位置，最终生成稳定的三维结构。

功能优化：通过多轮生成与优化，模型逐步(zhúbù)调整蛋白质原子的位置，使(shǐ)其从最初的无序状态演化为符合生物学规律的稳定构象。

Diffusion 模型的(de)蛋白(dànbái)设计过程。图片来源：参考文献[2]

研究以(yǐ) α-眼镜蛇毒素(dúsù)和 IA 型细胞毒素为例，这两种毒素均属于三指毒素，其分子结构就像三只手指一样从(cóng)中央的核心区域伸展(shēnzhǎn)出来，但它们的长度、氨基酸构成和空间构象都不同，导致毒性机制和引发症状各异。

α-眼镜蛇毒素：主要作用于神经系统，阻断神经信号传递，导致(dǎozhì)肌肉(jīròu)麻痹。

IA 型细胞毒素：通过与(yǔ)细胞膜的脂质(zhīzhì)双层相互作用，破坏细胞膜稳定性，引发组织坏死和炎症反应。

基于人工智能的抗(kàng)血清蛋白设计思路。图片来源：参考文献[3]

那 AI 是如何精准设计抗毒蛋白(dànbái)呢？

在研究中，三指毒素(dúsù)的边缘 β-链是其与受体(shòutǐ)或抗体相互作用的关键部位，其表面氨基酸决定了毒素的特异性和亲和力。比如，α-眼镜蛇毒素的边缘 β-链结构，能精准结合人体烟碱(yānjiǎn)型乙酰胆碱受体，阻断神经信号(xìnhào)传递。

研究(yánjiū)团队采用“分子互补”策略，以 α-神经毒素(dúsù)和 IA 型细胞毒素为目标毒素，使用 RFdiffusion 模型为目标毒素的边缘 β-链设计出几何互补的 β-链蛋白，通过空间位阻阻止毒素与受体结合(jiéhé)，这就像给一半(yíbàn)残缺的镜子，通过科学(kēxué)手段做成互补的另一半。

具体来说，研究团队将目标毒素的晶体结构(jīngtǐjiégòu)输入(shūrù) RFdiffusion 模型，模型依据输入信息和学习到的蛋白质结构规律，调整氨基酸残基的排列(páiliè)，促使(cùshǐ)生成的结构朝着与目标毒素 β-链互补匹配，并形成稳定的 β-折叠(zhédié)的方向发展，最终构建出与目标毒素互补结合的蛋白质骨干结构。

这种设计(shèjì)使抗毒蛋白能紧密结合毒素，阻断其与生理受体的(de)相互作用，从而中和毒性。

人工智能设计的(de)抗(kàng)血清蛋白的实验性能表征。图片来源：参考文献[3]

我们上面提到过，蛋白质的功能依赖于其特定的三维结构，而高温会破坏(pòhuài)其内部的氢键、范德华力等分子间(jiān)作用力，导致蛋白质变性，如鸡蛋加热后凝固(nínggù)。

与传统抗体相比(xiāngbǐ)，AI 设计的抗毒蛋白展现出卓越的热稳定性：耐受 78°C 以上高温，远超传统抗体的耐热极限。常温下长期稳定，减少对冷链运输和储存的依赖，尤其适合热带地区(rèdàidìqū)使用(shǐyòng)。

从理论奠基到(dào) AI 革命

蛋白质设计领域(lǐngyù)经历了从理论萌芽到人工智能驱动(qūdòng)的跨越式发展，这一历程堪称现代生物技术的典范。

20 世纪中期，Christian Anfinsen 提出的(de)"氨基酸序列决定蛋白质(dànbáizhì)三维结构"假说，为计算蛋白质设计(shèjì)奠定了理论基础。随着计算方法(jìsuànfāngfǎ)的进步，Rosetta 软件的问世标志着蛋白质工程进入新纪元(xīnjìyuán)，该工具使科学家能够在计算机上预测并设计稳定的蛋白质结构。

2003 年，David Baker 团队在《科学》（Science）杂志发表的 Top 7 蛋白研究具有里程碑意义，完全(wánquán)人工设计的蛋白质（98 个氨基酸），并且在自然界(zìránjiè)中没有同源蛋白。这项突破首次证明计算方法可以(kěyǐ)设计具有稳定折叠(zhédié)结构的蛋白质，为从头(cóngtóu)重新蛋白质设计奠定了基础。

人工智能的(de)引入彻底改变了(le)蛋白质(dànbáizhì)设计领域。2020 年，DeepMind 公司的 AlphaFold 2 在(zài)蛋白质结构预测(yùcè)领域取得历史性突破，通过深度学习精确(jīngquè)预测蛋白质结构，在 CASP 14 竞赛中达到了接近实验的精度。随后，Meta AI 的 ESMFold 进一步加速了蛋白质结构预测，实现未知蛋白质的大规模解析，为蛋白质设计提供更丰富的数据基础。同时，生成式(shēngchéngshì) AI 的引入带来质的飞跃(fēiyuè)，RFdiffusion 实现从头设计功能性蛋白质，大幅提高了蛋白质工程的可塑性和效率。

2023 年，David Baker 团队再创佳绩，进一步推进人工智能在蛋白(dànbái)质设计领域的应用，开发了(le)一种(yīzhǒng)基于深度学习的 AI 算法(suànfǎ)，成功从头设计出一种具有高催化活性和高底物特异性的人造荧光素酶。这是首次(shǒucì)完全依赖 AI 生成全新酶类蛋白，标志着人工智能驱动的蛋白质设计从结构(jiégòu)预测迈向功能设计的关键转折点。

2024 年，瑞典皇家科学院将(jiāng)诺贝尔化学奖授予 David Baker，表彰(biǎozhāng)其(qí)在计算蛋白质设计方面的(de)贡献，并将另一半授予 Demis Hassabis和 John M. Jumper，以表彰他们在蛋白质结构预测方面的突破。这一(zhèyī)殊荣不仅是对(duì)个人成就的肯定，更是对整个蛋白质设计领域的认可，彰显了计算生物学在现代科学中的核心地位。

AI 蛋白质设计正在突破传统方法的局限，大幅拓展蛋白质发现的边界。与(yǔ)依赖天然模板或随机突变的传统方法相比，AI 技术能够突破进化限制(xiànzhì)，快速生成具有全新功能的蛋白质，如人工酶、智能(zhìnéng)生物材料(cáiliào)等。通过深度学习和生成模型的结合，AI 将蛋白质筛选与优化流程从传统方法所需(xū)的数月时间，大幅缩短至数小时或数周。

在医疗(yīliáo)应用方面，AI 蛋白质设计展现出广阔前景。除了前文(wén)提到的抗蛇毒血清外，这项技术还(hái)可开发抗菌、抗病毒蛋白及靶向降解工具，助力耐药性疾病和神经退行性疾病治疗。

未来，AI 蛋白质设计与自动化(zìdònghuà)实验技术的结合将带来更多突破。这种融合将加速蛋白质功能优化过程，推动合成(héchéng)生命系统的构建，为精准医疗、绿色能源(néngyuán)和合成生物学等领域带来革命性进展。

作者丨Denovo团队(tuánduì)