Искусственный интеллект разработал новый CRISPR, превосходящий природные ферменты в редактировании ДНК

Команда с участием нобелевского лауреата разработала «синтетические молекулярные ножницы», подтвердив их превосходство над природными аналогами в клетках человека, растений и бактерий

Исследователи использовали искусственный интеллект для создания синтетических белков, входящих в систему редактирования генома CRISPR, которые разрезают ДНК более эффективно, чем их природные аналоги. Результаты работы с участием нобелевского лауреата 2020 года по химии Дженнифер Даудна (Jennifer Doudna) из Калифорнийского университета в Беркли были опубликованы в журнале Science.

Разработанная методика позволяет выйти за рамки естественной эволюции и создавать искусственные ферменты для использования в медицинских и сельскохозяйственных целях.

Классические системы CRISPR полагаются на гидовую РНК, которая направляет фермент-нуклеазу к нужной последовательности ДНК для удаления или вставки генетического материала. Молекулярный биолог из Цюрихского университета в Швейцарии Сорен Лиенкамп (Soeren Lienkamp), не участвовавший в проекте, отметил, что «работа объединила проектирование с помощью ИИ и РНК-направляемые нуклеазы. Если CRISPR сделало редактирование ДНК доступным по запросу, то ИИ-проектирование белков позволяет задавать молекулам совершенно новые свойства».

Наиболее распространённые нуклеазы, такие как Cas9 и Cas12, заимствованы у бактерий, где они служат для защиты от вирусов. Ручное изменение таких белков чрезвычайно сложно, так как фермент должен последовательно принимать строго определённые формы. Попытки изменить их структуру часто приводят к созданию нефункциональной молекулы, а перебор вариантов вручную требует проведения тысяч экспериментов.

Чтобы преодолеть это ограничение, специалисты сосредоточились на синтетических версиях нуклеаз TnpB — компактных эволюционных предшественников белка Cas12. Учёные использовали модель обратной свёртки белков (алгоритм, который подбирает аминокислотную последовательность под заданную форму) и совместили её с эволюционными ограничениями. Модели передали итоговую пространственную конфигурацию TnpB, запросив сгенерировать изменённые последовательности ДНК, которые сохраняли форму белка.

В результате работы алгоритмов были созданы тысячи вариантов синтетических белков, получивших название SynTnpB. Высокопроизводительный скрининг кандидатов показал, что полученные искусственные нуклеазы не только сохранили свою работоспособность, но и превзошли активность органического типа в клетках бактерий, растений и человека.

Исследование структуры наиболее изменённого варианта методом криоэлектронной микроскопии (метода получения изображений замороженных молекул) показало, что проектирование с использованием искусственного интеллекта обеспечивало дополнительные стабилизирующие контакты на стыке интерфейсов РНК и ДНК в различных пространственных состояниях нуклеазы.

Разработанная стратегия подтвердила возможность создания несуществующих в природе РНК-направляемых нуклеаз и активных связывателей нуклеиновых кислот. Метод расширил проектируемое белковое пространство и продемонстрировал способ получения эффективных генных редакторов вне ограничений природной эволюции.