Команда, включая нобелевского лауреата, разработала «синтетические молекулярные ножницы», подтвердив их эффективность по сравнению с природными аналогами в клетках человека, растений и бактерий
Наука и космос825 июл 23:18
Исследователи использовали искусственный интеллект для создания синтетических белков CRISPR, которые способны разрезать ДНК более эффективно, чем их природные эквиваленты. Результаты работы, в которой принимала участие нобелевский лауреат 2020 года по химии Дженнифер Даудна из Калифорнийского университета в Беркли, были опубликованы в научном журнале Science.
Разработанная технология позволяет преодолевать границы естественной эволюции и создавать искусственные ферменты для использования в медицине и сельском хозяйстве.
Традиционные системы CRISPR полагаются на гидовую РНК, которая направляет фермент-нуклеазу к целевой последовательности ДНК для удаления или вставки генетического материала. Как отметил молекулярный биолог из Цюрихского университета Сорен Лиенкамп, не принимавший участия в проекте, «это исследование объединило проектирование с помощью ИИ и РНК-направляемые нуклеазы. Если CRISPR открыл доступ к редактированию ДНК по запросу, то ИИ-проектирование белков позволяет создавать молекулы с совершенно новыми свойствами».
Наиболее распространенные нуклеазы, такие как Cas9 и Cas12, заимствованы у бактерий, где они служат для защиты от вирусов. Ручная модификация данных белков крайне затруднительна, так как фермент должен последовательно принимать строго определенные формы. Попытки изменить структуру часто приводят к созданию нефункциональных молекул, а ручной перебор вариантов требует проведения тысяч экспериментов.
Чтобы преодолеть это ограничение, специалисты сосредоточились на синтетических версиях нуклеаз TnpB — компактных предшественников белка Cas12. Учёные использовали модель обратной свёртки белков (алгоритм, подбирающий аминокислотную последовательность для заданной формы) и объединили её с эволюционными ограничениями. Модели передали итоговую пространственную конфигурацию TnpB, запросив сгенерировать измененные последовательности ДНК, которые сохраняют форму белка.
В результате работы алгоритмов были созданы тысячи вариантов синтетических белков, названных SynTnpB. Высокопроизводительный скрининг показал, что полученные искусственные нуклеазы не только сохранили свою работоспособность, но и превзошли активность органических аналогов в клетках бактерий, растений и человека.
Исследование структуры наиболее сильно изменённого варианта с использованием криоэлектронной микроскопии (метода получения изображений замороженных молекул) показало, что проектирование с помощью ИИ обеспечило 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. Этот метод расширил проектируемое белковое пространство и продемонстрировал способ получения эффективных редакторов генома без ограничений природной эволюции.
Darth SaharaИсточники:ScienceНаука и космос8Искусственный интеллектБиотехнологииДНКМолекулярная биологияРедактирование геномаСистема CRISPR25 июл 23:18
Источник