Специалисты использовали алгоритмы машинного обучения для разработки искусственных белков, предназначенных для работы с системой CRISPR – инструментом редактирования генома. Эти синтетические белки способны более эффективно расщеплять молекулы ДНК по сравнению с природными аналогами. О результатах исследования, в котором приняла участие лауреат Нобелевской премии 2020 года по химии, Дженнифер Даудна из Калифорнийского университета (Беркли), сообщили в журнале Science.

Предложенная методика открывает возможности для преодоления ограничений естественного развития и создания искусственных ферментов, которые могут быть применены как в медицинской сфере, так и в сельскохозяйственной отрасли.

Традиционные системы CRISPR основаны на использовании направляющей РНК, которая указывает нуклеазе – ферменту, разрезающему ДНК – на конкретный участок генетического кода для его удаления или замены. По словам Сорена Лиенкампа, специалиста в области молекулярной биологии из Цюрихского университета (Швейцария), который не был участником данной работы: «Это исследование объединило методы проектирования с использованием искусственного интеллекта и РНК-направляемые нуклеазы». Если CRISPR сделал редактирование ДНК доступным по требованию, то ИИ-проектирование белков позволяет придавать этим молекулам совершенно новые характеристики.

Наиболее часто используемые нуклеазы, такие как Cas9 и Cas12, были взяты из генома бактерий, где они служат для защиты от вирусных атак. Ручное изменение этих белков представляет собой сложную задачу, поскольку фермент должен последовательно принимать строго определенные конфигурации. Попытки внесения изменений в их структуру зачастую приводят к образованию неактивных молекул, и ручной перебор вариантов требует проведения огромного количества лабораторных испытаний.

Для преодоления этого препятствия, исследователи направили свои усилия на создание искусственных аналогов нуклеаз TnpB – более простых и ранних версий белка Cas12. При этом использовался метод обратного сворачивания белков (технология выбора аминокислотной последовательности для достижения определенной структуры) в сочетании с принципами эволюционного отбора. Моделирование позволило определить пространственное расположение TnpB, что послужило основой для разработки измененных ДНК-последовательностей, обеспечивающих сохранение формы белка.

В ходе работы алгоритмов было разработано множество вариантов синтетических белков, получивших название SynTnpB. Масштабный отбор кандидатов выявил тот факт, что созданные искусственные нуклеазы не только демонстрируют функциональность, но и превосходят по активности свои природные аналоги в клетках бактерий, растений и человека.

Изучение структуры наиболее значительно измененного варианта с помощью криоэлектронной микроскопии (технологии получения изображений замороженных молекул) подтвердило, что применение искусственного интеллекта привело к формированию дополнительных стабилизирующих взаимодействий на границе между РНК и ДНК в различных конфигурациях нуклеазы.

Предложенный подход продемонстрировал возможность создания новых типов РНК-направляемых нуклеаз и эффективных молекул, связывающихся с нуклеиновыми кислотами. Этот метод значительно расширил возможности проектирования белков и показал путь к разработке действенных инструментов для редактирования генов без ограничений, накладываемых естественной эволюцией.