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第 01 章：原核生物中的穹窿样结构
我们正在分享 Anthropic 生物学研究实验室的另一项发现：首次发现原核细胞中穹窿颗粒的 3D 结构。穹窿是存在于生命之树各类细胞中的大型中空蛋白质桶状结构，其功能仍不清楚。下文将介绍 Claude 如何在这项研究的每一步提供帮助：检索序列相关文献、优化分离颗粒的方法，以及绘制穹窿的结构。更多信息见我们已提交至 bioRxiv 的预印本；链接上线后，我们会立即更新。
生物细胞最早于 1665 年被发现，但 3 个半世纪过去了，细胞如何运作在很大程度上仍是未知数。直到相对不久前，一些关键组成部分是否存在，更不用说它们的功能，仍有争议。即使在今天，在研究最为全面的细胞之一——大肠杆菌的约 4,400 个基因中，仍有超过三分之一未得到充分了解。穹窿颗粒是另一个这样的谜团。
穹窿颗粒是一种大型中空蛋白质外壳，存在于我们身体几乎所有的细胞中。Leonard Rome 和 Nancy Kedersha 于 1986 年发现了它，但它的功能仍是个谜。它的质量约为核糖体的 3 倍，是已知最大的真核生物分子复合物之一。真核生物具有复杂的细胞，例如哺乳动物（与细菌等结构简单、通常为单细胞的“原核生物”相对）。穹窿因其形状而得名。在电子显微镜下观察时，带有棱纹的外壳让 Rome 博士和 Kedersha 博士联想到大教堂的拱顶。在哺乳动物中，外壳由 78 份主要穹窿蛋白构成，排列成在中部相连的两个相同半体。
从黏菌到人类，穹窿广泛存在于真核生物的大多数谱系中，因此科学家认为它们一定有某种有用的作用。研究人员提出了多种可能的功能，包括在细胞核与细胞质之间运输分子、保护细胞免受抗癌药物等有毒化合物的伤害，以及支持先天免疫，但这些推测均未得到确凿证实。另一些研究表明，缺乏穹窿的小鼠仍能存活，这提示穹窿可能只在特定环境条件下才必不可少。尽管如此，问题依然存在：如果它没有重要功能，进化为何会保留如此庞大的结构？
为了了解 Claude 能否帮助推进这一长期悬而未决的问题，我们的生物学研究团队一直在研究穹窿。我们尚未确定它们的生物学功能，但我们确实发现，生命之树中更多的穹窿蛋白，包括原核生物及感染它们的噬菌体中的穹窿蛋白，能够组装成完整的穹窿样颗粒。此前已在原核生物和噬菌体的基因组中发现相关蛋白，但据我们所知，尚无人证明它们能组装成穹窿。
原核细胞中的穹窿为研究人员提供了一个更简单的研究体系。与哺乳动物细胞相比，细菌生长迅速，因此更容易研究穹窿从何而来、其基本结构是什么样的，以及其中是否含有其他物质。此前，研究人类蛋白质在细菌中的对应蛋白已带来重要认识。细菌版本的 cGAS–STING 信号通路、gasdermin 和 viperin 揭示了这些人类免疫防御机制的微生物起源。在那些例子中，它们在人类体内的功能已经明确。穹窿的功能尚不明确，而它们在原核生物中的对应蛋白可能有助于揭示这一功能。
在这里，我们介绍了如何揭示一种噬菌体的穹窿体分子结构。噬菌体是感染细菌的病毒。像所有病毒一样，它们劫持宿主细胞来制造自身的蛋白质，因此这种穹窿体会在细菌这种原核细胞内形成。这种穹窿体由同一种蛋白质的96个拷贝构成，而人类穹窿体则由78个拷贝构成。通过复制该蛋白质的一部分，我们改造出了更大的穹窿体。这些结果共同揭示了此类复合体如何组装，并提示了如何将其用于生物技术，例如作为运送酶的纳米胶囊。
这项工作还体现了我们团队更广泛的目标：将Claude融入研究过程的每一步，以加快基础生物学研究。在我们的指导下，Claude搜索了蛋白质数据库、设计了DNA构建体、优化了分离方法，并处理了显微镜数据。因此，传统上需要3天的穹窿体纯化过程，我们用了约90分钟就完成了；首个结构模型在34小时后也准备就绪，而我们估计这通常需要数周。
尽管取得了这些进展，关于这些令人困惑的结构，仍有很多东西有待了解。我们与应邀担任这项研究顾问的Rome博士分享这一结构时，他说：
弄清穹窿体的功能仍然极具挑战性。我很高兴Anthropic掌握了这么多优质数据。现在，其他人也会着手研究这个问题……Anthropic的发现所涉及的广泛范围表明，这种功能将十分复杂，而探索过程也会很有意思。
我们的实验室提前发布这些发现，以继续向科学界展示如何利用Claude进行发现。你可以在我们的预印本中进一步了解研究结果和方法；我们也将在不久后发布这些结构和更多数据。
原核生物中的穹窿体样结构
我们使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）揭示了穹窿体的结构。在这种方法中，先将一个颗粒的许多拷贝快速冷冻并用电子束成像，再将图像合成为一个3D模型。这种穹窿体由同一种噬菌体蛋白质的96个拷贝构成（每半部分48个），我们将这种蛋白质称为L05；其总质量约为9.5兆道尔顿。相比之下，哺乳动物的穹窿体每半部分有39个拷贝。噬菌体来源的穹窿体也更短、更宽：长约54纳米、宽约45纳米，而哺乳动物的为长67纳米、宽40纳米。尽管更短，但由于形状更接近球体，它所围成的容积约大25%。构成其外壁的蛋白质链由7个首尾相接、依次堆叠的重复片段组成，而哺乳动物穹窿体有9个；它的端盖也更平坦。它是迄今在原核生物中发现的最大的蛋白质外壳之一。
其结构的一个显著特点是端盖的闭合方式。由环绕一周的48个拷贝构成的外壁必须朝端部逐渐收窄，而它分3级完成收窄，形似阶梯状圆顶。在每组相邻的3个拷贝中，1个止于第1级，1个止于第2级，另1个则一直延伸到顶端。这3个拷贝在外壁部分完全相同，但在端盖部分呈现不同的形状（构象）。
鉴于我们能够在实验室中制造这种穹窿体并快速分离它，我们还尝试改变其结构，以进一步了解这些蛋白质如何组装。我们与Claude合作，制作了15种经过改造的蛋白质版本，其中大多数改动位于相邻拷贝的接触点。端盖附近的某些单一改动就足以阻止外壳闭合：我们看到的不再是封闭的穹窿体，而是开放的、类似玫瑰花结的颗粒。这表明该区域对于封闭外壳是必需的。
我们还尝试把穹窿体做得更大。通常，它的外壁由7个重复片段构成。我们复制了其中2个，使这种蛋白质拥有9个片段——与人类穹窿体的片段数相同——结果它组装成了更大的穹窿体颗粒，内部容积增加了约20%。这些实验表明，在进化历程中，穹窿体可能通过复制自身外壁的片段来改变大小，而不影响其组装方式。
借助Claude发现、分离并解析一种新的穹窿体
穹窿体在40年来一直未得到解释，部分原因是生物学家最常用于遗传实验的生物，包括面包酵母、果蝇和线虫，都没有穹窿体。小鼠有穹窿体，但培育出的缺少一种穹窿体伴侣蛋白或穹窿体RNA的小鼠仍能正常发育，没有留下明显的缺陷供研究人员进一步探究。近年来，生物信息学研究人员在原核生物中发现了穹窿体蛋白的远缘亲属，但尚不清楚这些蛋白质是否会形成穹窿体。
我们的团队着手回答这个问题。这项研究需要经过几个步骤：调查遗传序列，找出穹窿体蛋白在生命之树中的分布；制备并分离最有希望的候选蛋白，检验它们是否真的会组装成类似穹窿体的颗粒；确定其中一种颗粒的结构，了解其蛋白质链如何组合在一起。
我们首先使用Claude Science，在一个包含约150亿种预测蛋白质的数据库中搜索穹窿体蛋白的亲属。结果发现，它们虽然罕见，却分布广泛：存在于细菌的29个主要类群（门）和古菌（原核生物的另一主要类群）的4个门中，但在已完成基因组测序的物种中，拥有这类蛋白质的不足1%。随后，我们选取了其中44种蛋白质，在无细胞系统中逐一测试，观察哪些基因能够产生全长蛋白质，以及产量有多少。蛋白质由我们选择，Claude则将每种蛋白质的序列转换成适合宿主细胞的DNA，添加用于启动基因表达的调控序列，并准备好可供订购的设计方案。我们把表现最好的候选蛋白转入活的大肠杆菌，其中24种里有15种产生了可溶性蛋白质。
接下来，我们需要分离这些颗粒。针对真核生物穹窿体开发的传统方法，是将样品放入糖浓度逐渐升高的管中离心，整个过程大约需要3天。为了加快速度，我们决定尝试体积排阻色谱法。在这一过程中，样品流经装有多孔微珠的色谱柱。这个称为分级分离的过程会让小分子滞留在孔隙中，而穹窿体因太大而无法进入孔隙，便会率先流出，出现在所谓的空隙体积部分。
Claude起初反对采用色谱法，因为错误折叠的蛋白质团块也会在相同的空隙体积部分流出。我们还是继续尝试了，而Claude通过推荐特定的色谱柱，以及追踪穹窿体蛋白和检查颗粒是否形成的方法，帮助我们使这一方法奏效。随后，Claude提议不经预先纯化，直接将破裂细胞的内容物装入色谱柱。起初我们有些犹豫，因为这些色谱柱价格昂贵，而破裂的大肠杆菌细胞的原始内容物可能堵塞色谱柱或造成污染。但我们愿意测试这个非传统的想法，结果它奏效了。
我们并不是第一个使用按大小分离的色谱柱来分离穹窿体的团队，但经过优化，我们的方法从细胞到制成显微镜样品网格只需约90分钟，而不是几天。在电子显微镜下，15种蛋白质中有7种组装成了类似穹窿体的颗粒。
冷冻电镜证实了这七种蛋白中四种所形成的穹窿体形状，其中两种来自噬菌体，两种来自细菌。我们选择了其中一种噬菌体蛋白 L05，用于上述详细结构分析，因为它是最善于形成完整封闭颗粒的蛋白之一。确定生物分子的结构通常需要借助专业软件进行数周或数月的手动工作。我们引导 Claude 完成了整个过程。Claude 在一个可使用内部计算资源的内部多智能体框架中，配置了开源处理软件 RELION 并运行了每个步骤，而我们就分析决策提供建议。第一个完整模型在 34 小时内准备就绪，最终的密度图则在开始处理约一周后完成。
Claude 还指出了结构中一个我们尚无法解释的特征。96 个蛋白质拷贝各自在中段偏上的位置有一个口袋，其中容纳着一个小分子；它在密度图中清晰可见，但我们尚未确定其身份。Claude 发现，它的形状类似辅酶 A，这是一种细胞用来转运化学基团的常见辅助分子。如果它是辅酶 A 或类似物质，那将是关于其可能功能的一个早期线索。
一种开展科学研究的新方式
对我们而言，这是一种截然不同的科学研究方式。我们当中没有人研究过如此庞大的蛋白质组装体，而且我们在结构生物学方面的经验有限。我们还是承担了这个项目，因为 Claude 能弥补我们知识上的不足，并快速完成那些原本需要我们花费更长时间的分析。
不到四个月，我们筛选了数十种候选穹窿体，制备了供显微镜观察的样本，并解析了在原核生物中发现的首个穹窿体结构。只要能够使用现有的 Claude 产品，普通实验室就能完成这项工作的大部分。只有冷冻电镜分析使用了数百个 GPU 并行运算以节省时间，所需计算资源可能超过学术机构能够获得的水平。
以这种方式工作，也让我们看到了 Claude 需要改进的地方。它编写的一份实验方案要求使用含有一种添加剂的生长培养基，而这种添加剂会妨碍将 DNA 导入细胞，导致项目延误了两周。在冷冻电镜处理的早期，它跳过了一个标准步骤，生成了一张与其镜像混合在一起的有缺陷的密度图；我们于是告诉它不要再自行变通（“除非常规方法行不通，否则请让我们按常规方法做”）。
我们利用从中学到的经验来推动 Claude 的开发。我们与训练 Claude 的机器学习研究人员分享了实验记录，以便他们了解模型哪里出了错。这些信息影响了 Claude 学习的数据类型。在项目进行期间，随着新模型推出，Claude 在这些任务上的表现有了很大提升：在 DNA 构建体设计中似乎犯的错误更少，也更善于识别实验中的潜在问题。在我们熟悉的领域，我们能迅速发现错误；但在不熟悉的领域，这些错误耗费了我们的时间。总体而言，我们发现，以这种方式工作的益处远远超过了缺点，而 Claude 已成为我们工作中不可或缺的一部分。
到目前为止，我们只在大肠杆菌中制造了这些穹窿体，还没有检验它们是否会在其天然存在的细菌和噬菌体中形成。要确定这些颗粒的功能，还需要开展更多研究，而我们的工作只是加深了这个谜团。正如 Rome 博士所说：
我们会发现它们都在做同一件事吗？还是会看到穹窿体功能在进化过程中的演变？也许它们与人类穹窿体发挥着相同的作用，那也非常有意思。
我们将继续研究穹窿体的功能，并随着研究进展分享更多成果。
与我们合作
我们将在技术报告中公布这项工作的详细情况。如果您对这些穹窿体可能发挥什么作用有想法，或者有可以用来检验这一想法的系统，欢迎与我们联系：mdurrant[at]anthropic.com、nicholasp[at]anthropic.com。
作者与致谢
贡献者
Januka Athukoralage、Peter Yoon、Nicholas Perry、Matthew Durrant，以及 Anthropic 的生命科学团队
披露：Rome 博士曾作为付费顾问对手稿提供反馈。