Ученые использовали искусственный интеллект для разработки синтетических белков системы CRISPR, которые превосходят природные ферменты по эффективности редактирования ДНК. Исследование, проведенное с участием лауреата Нобелевской премии по химии 2020 года Дженнифер Даудна из Калифорнийского университета в Беркли, опубликовано в журнале Science.
Данная технология открывает путь к созданию искусственных ферментов, возможности которых выходят за пределы естественной эволюции. Эти разработки могут найти широкое применение в медицине и аграрном секторе.
Традиционные системы CRISPR базируются на гидовой РНК, направляющей нуклеазу к нужному участку ДНК для внесения изменений. По словам молекулярного биолога Сорена Лиенкампа из Цюрихского университета, не участвовавшего в проекте, это исследование успешно объединило ИИ-проектирование с РНК-направляемыми нуклеазами. Он подчеркнул: если CRISPR сделал редактирование ДНК доступным «по запросу», то проектирование белков с помощью ИИ позволяет наделять молекулы принципиально новыми функциями.
Преодоление эволюционных ограничений
Популярные нуклеазы Cas9 и Cas12 изначально были «подсмотрены» у бактерий, использующих их в качестве защитного механизма против вирусов. Модифицировать такие белки вручную крайне сложно, так как фермент должен функционировать в строго заданных формах. Любое вмешательство в структуру часто делает молекулу неработоспособной, а подбор эффективных вариантов классическими методами требует проведения тысяч экспериментов.
Для решения этой задачи исследователи сосредоточились на синтетических версиях нуклеаз TnpB — компактных предшественников белка Cas12. Команда применила алгоритм обратной свёртки белков, который подбирает аминокислотную последовательность под заданную пространственную форму. Модели передали конфигурацию TnpB с инструкцией создать измененные последовательности, способные поддерживать стабильность структуры.
Эффективность синтетических белков SynTnpB
В ходе работы алгоритмы сгенерировали тысячи вариантов синтетических белков, получивших общее название SynTnpB. Проведенный высокопроизводительный скрининг подтвердил, что созданные нуклеазы не только сохранили свою функциональность, но и продемонстрировали более высокую активность по сравнению с природными аналогами при работе в клетках бактерий, растений и человека.
Анализ структуры наиболее измененного варианта, выполненный методом криоэлектронной микроскопии, показал, что ИИ-проектирование создало дополнительные стабилизирующие контакты на стыке интерфейсов РНК и ДНК. Это повышает стабильность нуклеазы в различных пространственных состояниях.
Данный подход доказал, что создание не существующих в природе РНК-направляемых нуклеаз — реально достижимая задача. Метод позволяет значительно расширить пространство проектируемых белков и получать высокоэффективные инструменты генной инженерии, свободные от ограничений, накладываемых естественной биологической эволюцией.
