近日，北京大学化学与分子工程吕华课题组与合作者在Journal of the American Chemical Society杂志上发表题为“Data-driven Design of Random Heteropolypeptides as Synthetic Polyclonal Antibodies”的论文。在这项工作中，作者结合自动化高通量实验和数据驱动优化算法，设计筛选出可以模拟天然多克隆抗体性质的无规共聚肽。这项工作展现了自动化高通量实验+AI的潜力，可以在一个无任何先验知识的黑盒空间中寻找到具有目标性质的分子。

抗体在医学诊断和治疗领域中扮演着不可或缺的角色，但传统多克隆抗体的开发成本高、周期长，往往需要几个月甚至更长时间的动物免疫、筛选和纯化过程。无规共聚物（RHPs）是由多种单体通过随机排列形成的合成高分子，与天然蛋白质之间有很多的相似之处。如果能利用合成的无规共聚物来模拟甚至替代一些蛋白类生物大分子，将有望大幅降低部分生物制剂成本并扩展应用场景。对此作者提出一个设想：能否通过化学合成的方法制备无规共聚物来作为人造多克隆抗体（SpAbs），实现快速、低成本的特异性分子识别？

图1.  (a) 人造多克隆抗体的骨架设计；(b) 修饰基结构；(c) 闭环工作流程

受自然启发，作者利用一个嵌段共聚多肽来模拟天然抗体的可变区和恒定区（图1a），其中亲水性聚肌氨酸（PSar）模拟抗体的恒定区，用于提升RHP的水溶性和稳定性；另一嵌段基于吕华课题组前期开发的基于聚合后修饰的聚氨基酸高通量合成平台（Nat. Synth. 2023, 2, 515—526 ），利用无规共聚物模拟抗体的可变区，并可根据抗原性质来改变修饰基的组成。

为了从成千上万种可能的组合中快速筛选出能够像抗体一样高效识别目标蛋白RHP，作者设计了一个“自动化高通量实验+数据驱动”的闭环工作流程，可分为以下几个步骤（图1c）：

1. RHP高通量合成：作者在聚合物前体上一次性接入8种不同性质的修饰基（亲水、疏水、正电荷等，图1b），通过自动化液体工作站精确配比、快速反应，在96孔板中生成数百种不同配方的RHP库。

2. 结合能力筛选：通过酶联免疫吸附试验（ELISA）评估每一种RHP样本与目标蛋白（如TNF-α或 IFN-α）以及对照蛋白（人血清白蛋白HSA）之间的结合信号，根据“结合强度差别”给每个样本打分。

3. 数据驱动算法：为了加速探索RHP的组成空间，作者同时使用了贝叶斯优化和遗传算法进行下一轮采样，其中贝叶斯优化借助高斯过程回归，估计尚未测试配方的性能分布，从中挑选出最有可能进一步提升结合能力的配方进行下一轮验证；遗传算法模拟“自然选择”，用“优胜劣汰”的思路，将表现较好的配方“杂交”、轻微“变异”，发生新一代候选。经过多轮干-湿实验迭代，最终实验可以收敛到一个或几个最优配方区域。

图2.  (a) 数据驱动筛选靶向TNF-α的人造多克隆抗体，RS：随机搜索，GA：遗传算法，BO：贝叶斯优化，图中每个点代表了一个RHP的评分；(b) 每轮Top20 RHP的来源；(c) BLI测试评分最高的SpAb_T1对TNF-α和HSA的结合力；(d) 随机点RHP_T2对TNF-α和HSA的结合力；(e) 不同浓度SpAb_T1对TNF-α诱导细胞毒性的中和作用；(f) 不同亲和力RHP对TNF-α的中和作用

利用该闭环工作流程，作者重点筛选了针对肿瘤坏死因子TNF-α——一个众多炎症疾病的关键介质和重要治疗靶点——的人造多克隆抗体。在两周时间内，作者进行了六轮闭环迭代优化，算法推荐采样点的效果均优于随机采样点（图2a, b）。作者将其中评分最高的RHP放大合成，命名为SpAb_T1，通过生物膜干涉实验（BLI）测试了其对TNF-α的结合常数为7.9nM，比人血清白蛋白的亲和力高出约400倍（图2c），并且与商业多克隆抗体的结合常数相当（K_D=18.8 nM, rabbit polyclonal anti–TNF-α antibody）；相比之下，一个随机点RHP_T2对TNF-α的结合常数仅有412nM（图2c）。作者还在细胞实验中验证了SpAb中和TNF-α的能力（图2e, f）：SpAb_T1可有效的缓解TNF-α引起的细胞毒性，而无结合能力的RHP_T2没有表现出对TNF-α毒性的缓解效果。

除了生化手段评估结合强度，课题组还与合作者北京大学王欢课题组首次测验考试使用液相电子显微镜（LP-EM）直接观察RHP与TNF-α在纳米尺度下的结合过程。通过连续拍摄单分子动态图像，作者发现RHP具有类似天然无序蛋白（IDP）的灵活构象，并且采用folding-upon-binding的方式与蛋白发生结合。

综上所述，相比于多克隆抗体，基于无规共聚物的人造多克隆抗体具有以下潜在优势：1. 成本低，易大量制备；2. 周期短，避免了动物免疫流程；3. 稳定性高、易储存，SpAb_T1 在4°C保存一年后，仍然保持良好活性。该项工作将“自动化高通量合成”与“数据驱动算法优化”相结合，探索了无规共聚肽的功能空间，实现用化学合成高分子来模拟蛋白质功能，展现了“自动化实验+AI”在解决黑盒问题时的潜力。

吕华、北京大学化学与分子工程王欢教授和吕华课题组已出站博士后吴广启博士为该文的共同通讯作者；周海森、吴广启和张佐为该文共同第一作者；北京大学高毅勤/杨立江团队的朱祯与赵谈封为该工作提供了分子动力学模拟测验考试。该工作受到国家自然科学基金重点项目（22331002 to H.L.）、国家杰出青年科学基金（22125101 to H.L.）、北京市自然科学基金（Z220023 to H.L.，Z240010 to H.W.）、生物药制备与递送全国重点实验室开放性基金（No. 2023KF-01）和北京人工智能科学研究院的支持。