AI 模型创建出超越自然界设计的功能性类 CRISPR 核酸酶

由人工智能（AI）设计的蛋白质现在可以扩展 CRISPR 工具箱，因而不再囿于自然演化的产物。在一项新的研究中，研究人员报告了合成 RNA 引导核酸酶的设计，其活性与天然酶相当甚至有所超越；该研究揭示了结构引导设计如何能够产生序列差异显著但仍具功能性的基因组编辑蛋白。CRISPR-Cas 技术使科学家能够精准地靶向并修改 DNA 和 RNA，因而改变了基因工程。研究人员目前正在探索蛋白质设计法是否能创造出具有自然界中未见特性的新型 RNA 引导核酸酶。然而，这种尝试仍具挑战性，因为多域蛋白结构复杂，些许改变就能轻易地破坏酶的活性。尽管 AI 模型在新核酸酶设计方面已展现成效，但它们生成的版本往往仍与用于训练模型本身的参考序列高度相似。Petr Skopintsev 和同事在此提出了一种蛋白质设计策略：将 ESM 逆折叠（ESM-IF1）模型与基于演化信息的残基约束相结合，从而生成了 TnpB 的新型变体；TnpB 是一种极简的 CRISPR-Cas12 样核酸酶，后者被命名为 SynTnpBs。Skopintsev 等人接着在细菌、植物和人类细胞中对这些 AI 设计的蛋白质进行了活性筛选，并利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）确定了差异最大变体的结构。作者发现，许多 AI 设计的核酸酶在多种细胞类型中保持甚或超越了天然酶的活性。Cryo-EM 揭示，工程化蛋白在不同构象的 RNA-DNA 界面形成了新的稳定相互作用，从而为 AI 设计的 RNA 引导核酸酶提供了首批经实验测定的结构。总之，这些发现展示了该设计策略如何能够产生具有活性的非天然基因组编辑酶。