Искусственный интеллект создал синтетический CRISPR, обошедший природные ферменты по эффективности редактирования ДНК

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

Учёные применили модели искусственного интеллекта для создания синтетических белков системы редактирования генома CRISPR, которые разрезают ДНК эффективнее природных аналогов. Результаты работы с участием нобелевского лауреата 2020 года по химии Дженнифер Даудна (Jennifer Doudna) из Калифорнийского университета в Беркли были опубликованы в научном журнале Science.

Разработанная технология позволяет выходить за границы естественной эволюции и создавать искусственные ферменты для применения в медицине и сельском хозяйстве.

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

Самые распространённые нуклеазы, такие как Cas9 и Cas12, заимствованы у бактерий, где они используются для защиты от вирусов. Ручная модификация таких белков крайне сложна, так как фермент должен последовательно принимать строго определённые формы. Попытки внести изменения в структуру часто приводят к созданию нефункциональной молекулы, а перебор вариантов вручную требует проведения тысяч экспериментов.

Чтобы обойти это ограничение, специалисты сосредоточились на синтетических версиях нуклеаз TnpB — компактных эволюционных предшественников белка Cas12. Учёные задействовали модель обратной свёртки белков (алгоритм, подбирающий аминокислотную последовательность под заданную форму) и объединили её с эволюционными ограничениями. Модели передали итоговую пространственную конфигурацию TnpB, запросив сгенерировать изменённые последовательности ДНК, сохраняющие форму белка.

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

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

Сформулированная стратегия доказала возможность создания не существующих в природе РНК-направляемых нуклеаз и активных связывателей нуклеиновых кислот. Метод расширил проектируемое белковое пространство и продемонстрировал способ получения эффективных генных редакторов без ограничений природной эволюции.