Computational Design and Evaluation of De Novo Protein Minibinders Targeting Specific Sites of STAT3

داخل الآلات المجهرية لخلية حية، يعمل بروتين يُدعى STAT3 كمفتاح رئيسي، حيث يقوم بتشغيل الجينات التي تخبر الخلايا متى تنمو وتنقسم. في الجسم السليم، يتم تنظيم هذا المفتاح بدقة، ولكن في أنواع عديدة من السرطان، يعلق هذا المفتاح في وضعية "التشغيل"، مما يدفع النمو غير المنضبط وانتشار الأورام. لقد حاول العلماء طويلاً بناء أدوية لإيقاف تشغيل هذا المفتاح، لكن النهج المعتاد — باستخدام جزيئات كيميائية صغيرة لتعطيل الآلية — قد فشل مراراً في التجارب السريرية. فسطح بروتين STAT3 غالباً ما يكون مسطحاً للغاية أو مشابهاً لبروتينات أخرى لدرجة تمنع هذه الجزيئات الصغيرة من الإمساك به بدقة كافية. وقد ترك هذا الباحثين يبحثون عن نوع مختلف من الأدوات، أداة أكبر وأكثر تحديداً، قادرة على الالتصاق بالبروتين بيقين يشبه ملاءمة المفتاح للقفل.

لقد لجأ فريق من الباحثين الآن إلى الذكاء الاصطناعي لتصميم هذه الأدوات الجديدة من الصفر. وبدلاً من الاستعارة من مكتبة البروتينات الموجودة في الطبيعة، استخدموا برنامجاً حاسوبياً لابتكار هياكل بروتينية دقيقة وجديدة تماماً، مصممة للارتباط بمواقع محددة على سطح STAT3. كان الهدف هو إنشاء "مرتبطات صغيرة" (minibinders) — وهي قطع بروتينية صغيرة ومستقرة يمكنها الالتصاق بـ STAT3 ومن المحتمل أن توقف عملها الضار. ومن خلال استهداف مناطق مختلفة من البروتين، بما في ذلك المناطق التي كان من الصعب الوصول إليها باستخدام الأدوية التقليدية، أمَل الفريق في توليد مجموعة جديدة من المرشحين الذين يمكن اختبارهم في المختبر لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم حظر البروتين المحفز للسرطان بفعالية.

بدأ الباحثون بتحديد سبعة "نقاط ساخنة" (hotpoints) محددة على بروتين STAT3، وهي عبارة عن مجموعات صغيرة من الأحماض الأمينية الواقعة في أجزاء مختلفة من سطح الجزيء. تم اختيار هذه النقاط لأنها سهلة الوصول وتلعب أدواراً مهمة في كيفية عمل البروتين، مثل المساعدة في التصاقها بمستقبلات الخلايا أو الارتباط بالحمض النووي (DNA). وباستخدام أداة تصميم ذكاء اصطناعي حديثة تُسمى BindCraft، قام الفريق بتوليد آلاف التسلسلات البروتينية المحتملة، كل منها يمثل محاولة فريدة للالتفاف حول إحدى هذه النقاط الساخنة. عمل البرنامج الحاسوبي كمهندس معماري افتراضي، يرسم أشكالاً ستناسب الهدف نظرياً، بينما يستبعد التصاميم التي تبدو غير مستقرة أو غير مرجح ارتباطها. ومن بين مجموعة أولية تضم 139 تصميماً اجتازت الفحص الأولي للحاسوب، ضيق الفريق نطاق تركيزه على المرشحين الأكثر واعدية.

ولضمان أن هذه التصاميم الرقمية ستعمل بالفعل في العالم الحقيقي، أخضعها الباحثون لجولة ثانية صارمة من التقييم باستخدام نظام ذكاء اصطناعي أكثر تقدماً يُعرف باسم AlphaFold3. هذا النظام ماهر للغاية في التنبؤ بكيفية طي البروتينات لتتخذ أشكالها ثلاثية الأبعاد وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. بحث الفريق عن التصاميم التي أظهرت درجة عالية من الثقة في قدرتها على الالتحام ببروتين STAT3. ظهر أحد عشر تصميماً كأفضل المنافسين، وجميعها كانت متوقعة للارتباط بقوة بأهدافها المقصودة. صُممت هذه المرتبطات الصغيرة الأحد عشر للالتصاق بخمسة من النقاط الساسية السبعة الأصلية، مغطيةً مناطق في نطاقات "اللولب الملتف" (coiled-coil)، و"SH2"، ونطاق الارتباط بالحمض النووي (DNA) الخاص بالبروتين. وأشارت عمليات المحاكاة إلى أن هذه البروتينات الصغيرة ستستقر بثبات على سطح STAT3، وغالباً ما ستغطي الأحماض الأمينية المحددة التي استهدفها الباحثون.

وبعيداً عن مجرد الالتصاق بالبروتين، فحص الباحثون ما إذا كانت هذه المرتبطات الجديدة ابتكارات أصيلة حقاً. فقد مرروا تسلسلات المرتبطات الأحد عشر الأفضل عبر قاعدة بيانات ضخمة لجميع البروتينات المعروفة لمعرفة ما إذا كان أي منها يشبه شيئاً موجوداً بالفعل في الطبيعة. كانت النتائج مذهلة: لم يكن لستة من المرتبطات أي تطابقات في قاعدة البيانات، مما يعني أنها تسلسلات جديدة تماماً لم يسبق رؤيتها في أي كائن حي. أما المرتبطات الخمسة الأخرى، فقد أظهرت تشابهاً ضعيفاً جداً وغير ذي أهمية مع بروتينات بكتيرية غامضة، مما يؤكد أن التصاميم لم تكن نسخاً عرضية لأجزاء بيولوجية موجودة. وهذا يشير إلى أن الذكاء الاصطناعي نجح في ابتكار أشكال جزيئية فريدة بدلاً من مجرد إعادة ترتيب الأجزاء المعروفة.

كما كشونت الدراسة أن بعض هذه المرتبطات الصغيرة يمكن أن تعمل معاً. ولأن المرتبطات تلتصق بمناطق مختلفة وغير متداخلة في بروتين STAT3، فمن الممكن استخدام اثنين منها في وقت واحد لـ "تطويق" الهدف. على سبيل المثال، أظهرت عمليات المحاكاة أن مرتبطاً مصمماً لمنطقة ما يمكن أن يجلس براحة بجانب مرتبط آخر مصمم لمنطقة مختلفة، دون أن يصطدما ببعضهما البعض. وهذا يفتح الباب أمام استراتيجية جديدة حيث يمكن لبروتينين صغيرين أن يطبقا بضغطة واحدة على STAT3 في آن واحد، مما قد يجعل من الصعب على الخلية السرطانية تجاوز هذا الحظر. وبينما يؤكد الباحثون أن هذه النتائج تعتمد حالياً على عمليات محاكاة حاسوبية ولم تُختبر بعد في المختبر، فإن درجات الثقة العالية من نماذج الذكاء الاصطناعي توفر أساساً قوياً للخطوة التالية.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في استخدام الذكاء الاصطناعي لمعالجة أهداف دوائية صعبة. فمن خلال النجاح في تصميم بروتينات يُتوقع ارتباطها بنقاط محددة وصعبة على بروتين مرتبط بالسرطان، قدم الفريق للمجتمع العلمي قائمة من المرشحين الملموسين للاختبار التجريبي. إن التسلسلات الأحد عشر الموصوفة في الورقة البحثية متاحة الآن للعلماء الآخرين لتخليقها ودراستها في المختبر. وإذا صمدت هذه التنبؤات الرقمية أمام التجارب الفيزيائية، فقد توفر مساراً جديداً لعلاج أنواع السرطان التي يحركها بروتين STAT3، متجاوزةً حدود الأدوية الكيميائية الصغيرة وداخلةً في عصر جديد من العلاجات البروتينية الدقيقة.