Искусственный интеллект превзошел природу в редактировании генов
В лаборатории Дженнифер Даудны, лауреата Нобелевской премии, с применением искусственного интеллекта разработали фермент для редактирования генома. Итоговый вариант превзошел природный аналог почти вдвое по эффективности, при этом почти четверть его аминокислотной последовательности нейросеть сгенерировала самостоятельно. Фермент оказался не только активнее, но и существенно компактнее — его размер оказался примерно втрое меньше, чем у естественной версии.
Лаборатория нобелевского лауреата Дженнифер Даудны создала с помощью искусственного интеллекта (ИИ) новые ферменты для редактирования генома, которых не существует в природе. Некоторые из них по эффективности превзошли результаты естественной эволюции, сообщается в статье, опубликованной в журнале Science.
| Даудна получила Нобелевскую премию по химии в 2020 году вместе с французским микробиологом Эммануэль Шарпантье за разработку CRISPR-Cas9 — технологии высокоточного редактирования генома. В ней используется направляющая молекула РНК, которая доставляет фермент-нуклеазу к нужному участку ДНК, чтобы тот разрезал цепь. Далее клетка сама достраивает или заменяет вырезанный фрагмент. Самые распространенные такие ферменты, Cas9 и Cas12, были изначально обнаружены в бактериях, у которых аналогичный механизм служит природной защитой от вирусных атак. Это позволяет устранять первопричину генетических болезней, обучать иммунные клетки распознавать и уничтожать раковые опухоли и инфекции. |
Команда Даудны в новой работе сосредоточилась на TnpB — ферменте, который считается эволюционным предком Cas12 и тоже способен разрезать ДНК по указанию направляющей РНК. Идею подал структурный биолог, российский ученый Петр Скопинцев из лаборатории Даудны в Институте инновационной геномики Калифорнийского университета в Беркли. Его внимание привлекла ИИ‑модель ESM‑IF1. Если AlphaFold от Google DeepMind по аминокислотной последовательности предсказывает итоговую трехмерную структуру белка, то ESM‑IF1, наоборот, на основе заданной трехмерной конфигурации подбирает подходящие аминокислотные последовательности, способные свернуться именно в эту форму.
В ИИ-модель загрузили структуру TnpB и задали ограничения — указали участки связывания с ДНК. В результате система сгенерировала тысячи вариантов потенциальных ферментов. Чтобы отсеять неработающие, был применен метод «эволюционного маскирования»: критически важные для функции фермента участки — например, домен RuvC, который разрезает ДНК, и зоны, взаимодействующие с направляющей РНК, — оставили нетронутыми. ИИ мог изменять только вспомогательные сегменты белка. Из почти 2000 комбинаций отобрали наиболее работоспособные — их назвали SynTnpB. Изабель Эсайн-Гарсия из группы Даудны проверила их активность в экспериментах по редактированию генома.
Итоги превзошли ожидения. Лучшие варианты SynTnpB отредактировали ДНК в клетках человека линии HEK293T (лабораторная культура клеток почки эмбриона человека, которые ученые выращивают в чашках Петри как универсальный полигон для различных исследований) с эффективностью до 50% — это примерно в 1,8 раза выше показателей природного TnpB. Самый результативный синтетический фермент отличался от естественного лишь на 23% — то есть нейросеть переписала почти четверть генетического кода белка, который при этом продолжил работать даже лучше исходной версии. SynTnpB оказались действенны также в растительных и бактериальных клетках, что указывает на их универсальность.
Методом криоэлектронной микроскопии, обеспечивающим визуализацию молекул при экстремально низких температурах, у синтетических белков удалось впервые зафиксировать ранее лишь теоретически предполагавшуюся устойчивую конфигурацию взаимодействия РНК и ДНК. ИИ перестроил аминокислоты вокруг R-петли (участка, где РНК связывается с ДНК) так, что они образовали жесткие водородные связи. У природного TnpB R-петля остается подвижной и легко разрушается, из-за чего редактирование ДНК происходит менее эффективно.
«Мы смогли создать неприродные нуклеазы, которые были активны в клетках человека, растений и бактерий, — сказала Даудна порталу Fierce Biotech. — Этот подход открывает возможность создавать фермент на заказ под конкретную задачу — будь то лечение генетического заболевания или помощь сельскохозяйственным культурам адаптироваться к меняющемуся климату». По ее словам, попытки вручную модифицировать природные ферменты обычно быстро упираются в потерю их функции — «начав вносить изменения, довольно быстро понимаешь, что, хотя изменения внести можно, в итоге получается что-то неработающее».
TnpB — это гибкое семейство белков, которое можно адаптировать под самые разные задачи, и один из главных практических плюсов новых искусственных ферментов — их малый размер. Классический Cas9 состоит из 1368 аминокислот и занимает 4,1–4,2 тыс. пар оснований генетического кода, тогда как длина SynTnpB примерно втрое меньше — 369–408 аминокислот и менее 1,5 тыс. пар.
Это имеет особое значение при использовании аденоассоциированных вирусов (AAV) в качестве средства для доставки инструментов генного редактирования в нужную клетку организма. AAV вмещают строго 4,7 тыс. пар оснований. Cas9 почти исчерпывает этот объем, не оставляя места для дополнительных последовательностей. Как подчеркнула Эсайн-Гарсия, их гораздо легче упаковать, а значит, проще адресно доставлять в отдельные органы.
SynTnpB отличается от Cas9 и в механике распознавания целевых участков ДНК. Если Cas9 ищет короткий маркер PAM, который располагается сразу после целевого участка ДНК, то SynTnpB ориентируется на более длинный аналогичный маркер — TAM, расположенный перед целевым участком. Эта особенность делает SynTnpB менее универсальным с точки зрения числа доступных для редактирования позиций в геноме — их меньше, чем для Cas9. Однако такая избирательность существенно уменьшает риск промаха и последующих опасных перестроек хромосомы.
Разработку прокомментировал не участвовавший в исследовании инженер-разработчик ферментов для редактирования генов из Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы Бенджамин Клайнстивер. По его мнению, ценность работы заключается не в появлении еще одной компактной нуклеазы, а в самой методологии. Особенно его впечатлила способность авторов внести значительное число мутаций в конкретные домены TnpB без потери функциональной активности фермента. В то же время эксперт отметил, что технология пока не выводит генное редактирование на принципиально новый уровень, но может повлиять на патентную сферу, где постоянно возникают правовые разногласия. Поскольку многие действующие патенты на ферменты сформулированы достаточно широко и распространяются на нуклеазы со схожей последовательностью (в пределах определенного процента совпадения), существенное изменение аминокислотной цепочки дает возможность создавать ферменты, включать их в состав препаратов и выводить на рынок, минуя затяжные и дорогостоящие патентные споры по Cas9.
