Claudeが原核生物初のボールト粒子構造の解明を支援

要約： Anthropicの生物学研究ラボは、Claudeを配列検索、DNAコンストラクト設計、精製最適化、クライオEM処理に活用し、バクテリオファージ由来のボールト粒子（96コピー、約9.5メガダルトンの殻）の初の3D構造を解明しました。この研究はボールトの機能を特定するものではありませんが、AIが基礎生物学研究の一部を圧縮できることを示しています。ボールト精製は約3日から約90分に短縮され、処理開始から34時間後には最初の構造モデルが完成しました。

Anthropicが発表した内容

Anthropicは、原核細胞で見つかったボールト粒子の初の3D構造を発表しました。具体的には、バクテリオファージのタンパク質から構築され、細菌内で産生されたボールトです。ボールトは生命の樹全体に見られる大型の中空タンパク質の殻で、1986年の発見以来、その生物学的機能は不明のままです。関連するボールトタンパク質は原核生物やファージのゲノムで既に見つかっていましたが、Anthropicによれば、それらがボールト様粒子に集合することを示した人はいませんでした。

この発見は、bioRxivに提出されたプレプリント/テクニカルレポートに記載されています。Anthropicは、科学コミュニティにClaudeが発見にどのように使えるかを示すために早期に結果を公開し、構造と追加データも間もなく公開すると述べています。

ボールト粒子が長年の謎である理由

ボールトは1986年にレナード・ロームとナンシー・ケダーシャによって発見されました。その名前は形状に由来します。電子顕微鏡下では、リブ状の殻が大聖堂のヴォールト天井に似ていました。哺乳類では、殻はメジャーボールトタンパク質の78コピーで構成され、中央で結合した2つの同一の半分として配置されています。リボソームの約3倍の質量を持つボールトは、真核生物で知られる最大の分子複合体の1つです。

ボールトは、粘菌からヒトまで、真核生物の樹の大部分に見られ、何か有用な機能を持つことを示唆しています。研究者は、ボールトが核と細胞質の間で分子を輸送する、癌薬などの毒性化合物から細胞を保護する、または自然免疫をサポートするという仮説を提案しています。これらの仮説はどれも決定的に確認されていません。ボールトを欠くマウスは生存するため、ボールトは特定の環境条件下でのみ必要かもしれないことが示唆されています。

ボールトはまた、遺伝子実験で最もよく使われる生物（出芽酵母、ショウジョウバエ、線虫）にも存在しません。マウスでは、ボールトパートナータンパク質やボールトRNAを欠くように育てられた動物は正常に発育し、追跡すべき明らかな欠陥はありません。原核生物のボールトは、研究者に研究しやすいシンプルなシステムを提供します。細菌は速く増殖するため、ボールトの起源、基本構造、内容物を調査しやすくなります。

構造：96コピー、9.5メガダルトン、3段階のキャップ

Anthropicはクライオ電子顕微鏡法（クライオEM）を使用して構造を決定しました。ファージ由来のボールトは、L05と呼ばれる単一のタンパク質の96コピー（半分あたり48コピー）から構築され、合計質量は約9.5メガダルトンです。哺乳類版は半分あたり39コピーです。ファージボールトはより短く幅広で、約54ナノメートルの長さ、45ナノメートルの幅で、哺乳類の67×40ナノメートルと比較されます。短いにもかかわらず、より球形であるため、約25%多くの体積を内包します。

ボールト壁を構成するタンパク質鎖は、哺乳類の9つではなく、7つの繰り返しセグメントが端から端に積み重なって構築されており、末端キャップはより平らです。Anthropicは、これは原核生物でこれまでに特定された最大のタンパク質殻の1つであると述べています。

注目すべき特徴は、キャップが閉じる方法です。48コピーで構成される壁は極に向かって狭まる必要があり、それは3段階で行われ、層状のドームのようです。隣接する3コピーの各グループでは、1つは最初の段階で終わり、1つは2番目の段階で終わり、1つは先端まで続きます。3つのコピーは壁に沿って同一ですが、キャップでは異なるコンフォメーションを取ります。

Anthropicはまた、タンパク質の15の改変バージョンを設計し、そのほとんどは隣接するコピーが接触するポイントに変更を加えました。キャップ近くのいくつかの単一の変更は、殻が閉じるのを防ぐのに十分でした。密封されたボールトの代わりに、チームは開いたロゼット状の粒子を観察し、この領域が殻を密封するために必要であることを示しました。チームが7つの繰り返し壁セグメントのうち2つをコピーして、タンパク質に9つのセグメント（ヒトボールトと同じ数）を与えたところ、さらに大きなボールト粒子に集合し、内包体積が約20%増加しました。Anthropicは、これはボールトが進化の歴史の中で、壁の一部を複製することでサイズを変える方法を示していると述べています。

Claudeの貢献

Claude Scienceは、約150億の予測タンパク質のデータベースを検索して、ボールトタンパク質の関連タンパク質を探しました。これらのタンパク質はまれですが広く分布していることが判明しました。細菌の29の主要グループ（門）と古細菌の4つに存在しますが、ゲノム配列が決定された種の1%未満です。チームは44のタンパク質を選択し、それぞれを無細胞系でテストしました。Claudeは各タンパク質配列を宿主細胞に合わせたDNAに変換し、遺伝子をオンにする制御配列を追加し、注文用の設計を準備しました。最も優れたものは生きた大腸菌に移され、24のうち15が可溶性タンパク質を産生しました。

単離には、従来の方法（サンプルを密度の高い糖のチューブに通す）で約3日かかります。チームは代わりにサイズ排除クロマトグラフィーを試しました。このプロセスでは、サンプルは多孔質ビーズのカラムを流れます。小さな分子は細孔に詰まり、ボールトは大きすぎて入らず、最初にボイドボリュームで出てきます。Claudeは当初、誤って折りたたまれたタンパク質の塊もボイドボリュームに出てくるため、クロマトグラフィーアプローチに反対しました。それでもチームは進め、Claudeは特定のカラムと、ボールトタンパク質を追跡し粒子が形成されたか確認する方法を推奨して、それを機能させるのを助けました。その後、Claudeは、破壊した細胞の内容物を事前精製なしで直接カラムにロードすることを提案しました。チームはカラムが高価で、生の大腸菌の内容物が詰まったり汚染を引き起こしたりする可能性があるため躊躇しましたが、この型破りなアイデアは機能しました。

Anthropicは、サイジングカラムでボールトを単離した最初のグループではないが、最適化された方法は細胞から顕微鏡グリッドまで約90分で、数日ではなくなったと述べています。電子顕微鏡下で、15のタンパク質のうち7つがボールト様粒子に集合していました。クライオEMは、その7つのうち4つ（ファージ由来2つ、細菌由来2つ）のボールト形状を確認しました。チームは、完全で閉じた粒子を形成するのに最も優れていたため、詳細構造にファージタンパク質L05を選択しました。

Claudeはまた、クライオEMデータを処理しました。内部の計算リソースにアクセスできる内部マルチエージェントハーネスで作業し、Claudeはオープンソースの処理ソフトウェアRELIONをセットアップし、チームが分析の決定について助言しながら各ステップを実行しました。最初の完全なモデルは34時間で準備でき、最終マップは処理開始から約1週間で準備できました。4か月足らずで、チームは数十の候補ボールトをスクリーニングし、顕微鏡用のサンプルを準備し、原核生物で見つかった最初のボールト構造を解明しました。

Anthropicは、作業のほとんどは既存のClaude製品にアクセスできる典型的なラボで達成できると述べています。時間を節約するために並列で数百のGPUを使用したクライオEM分析だけが、学術機関で利用可能かもしれないものよりも多くの計算リソースを必要としました。

Claudeが間違えた点

Anthropicはまた、Claudeが改善を必要とした点も記録しました。Claudeが書いたプロトコルは、DNAを細胞に取り込むのを妨げる添加剤を含む増殖培地を要求し、プロジェクトを2週間遅らせました。クライオEM処理の初期に、Claudeは標準的なステップをスキップし、鏡像と混ざった欠陥のあるマップを生成しました。チームは即興をやめるように指示しました：

「うまくいかない限り、普通のことをやりましょう。」

チームは実験ノートをClaudeを訓練する機械学習研究者と共有し、モデルがどこで間違えたかを見てもらい、AnthropicはこれがClaudeが学習するデータの種類に影響を与えたと述べています。プロジェクトの過程で、新しいモデルが登場するにつれてClaudeはこれらのタスクで向上し、DNAコンストラクト設計でのエラーが少なくなり、実験の潜在的な落とし穴をよりよく特定するようになりました。チームがよく知っている分野では、間違いをすぐに発見しましたが、よく知らない分野では間違いが時間を費やしました。全体として、Anthropicはこの方法で作業する利点が欠点をはるかに上回り、Claudeはその作業に不可欠になったと述べています。

説明できないポケットと未解決の疑問

Claudeは、チームがまだ説明できない構造の特徴を指摘しました。96のタンパク質コピーのそれぞれの途中にあるポケットには、マップで明確に示される小さな分子が含まれていますが、チームはそれを特定できていません。Claudeは、その形状が補酵素A（細胞が化学基を運ぶために使用する一般的な補助分子）に似ていることを発見しました。それが補酵素Aまたは類似のものであれば、可能な機能の初期の手がかりとなるでしょう。

Anthropicはこれまでこれらのボールトを大腸菌でのみ作製しており、自然に見られる細菌やファージで形成されるかどうかはテストしていません。これらの粒子の機能を決定するにはさらなる作業が必要であり、Anthropicはこの研究は謎を深めるだけだと述べています。Anthropicが研究のアドバイザーとして招いたレナード・ロームは次のように述べています：

「ボールトの機能を解明することは依然として非常に困難です。Anthropicがこれほど多くの優れたデータを持っていることを嬉しく思います。今や、他の人々もこの問題に取り組むでしょう…Anthropicの発見の広がりは、複雑な機能と興味深い旅になることを示唆しています。」

ロームはまた、未解決の疑問を次のように述べました：

「それらがすべて同じことをしていることがわかるでしょうか？それともボールト機能の進化的発展を見るでしょうか？おそらくそれらはヒトのボールトと同じことをしており、それも非常に興味深いです。」

Anthropicは、ボールトの機能に関する研究を継続し、作業が進むにつれてさらに共有すると述べています。チームはまた、これらのボールトが何をしているのか、またはそれらをテストするシステムについてのアイデアを歓迎しています。