La révolution de l’édition génétique pourrait bientôt bénéficier d’une puissante mise à niveau — non pas en découvrant une nouvelle enzyme naturelle, mais en en concevant une de toutes pièces. Des chercheurs de l’Innovative Genomics Institute de l’Université de Californie à Berkeley, dirigés par la lauréate du prix Nobel Jennifer Doudna, ont utilisé l’intelligence artificielle pour créer des versions synthétiques d’enzymes CRISPR plus efficaces que tout ce que la nature a produit.
L’étude, publiée dans Science, s’est concentrée sur les protéines TnpB, les anciens ancêtres évolutifs de la famille CRISPR-Cas12. Ce sont des nucléases hypercompacts, d’environ 400 acides aminés, suffisamment petites pour être délivrées par des vecteurs AAV pour la thérapie génique. Mais les TnpB naturelles ont un problème : elles sont inefficaces dans les cellules humaines, atteignant généralement des taux d’édition bien inférieurs à 30 pour cent.
L’approche IA
L’équipe a utilisé ESM Inverse Folding (ESM-IF1), un modèle de conception de protéines guidé par la structure développé à l’origine chez Meta AI. Étant donné une structure de protéine 3D cible, le modèle prédit les séquences d’acides aminés qui devraient se replier dans cette forme. Mais l’équipe a ajouté une contrainte cruciale : ils ont masqué les résidus fonctionnellement critiques à l’interface des acides nucléiques, les maintenant fixes sur la base de données de conservation évolutive provenant d’un modèle Potts entraîné sur 16 335 séquences TnpB.
« Sans ces contraintes, l’IA pourrait générer une protéine parfaitement repliée qui ne peut tout simplement pas se lier à l’ADN ou à l’ARN », a déclaré Petr Skopintsev, co-auteur principal de l’étude.
À partir de l’échafaudage ISDra2 TnpB de Deinococcus radiodurans, l’IA a généré des milliers de séquences candidates. Parmi les 1 980 conceptions testées dans E. coli, 466 (24 pour cent) étaient des nucléases fonctionnelles, et environ 8 pour cent dépassaient l’activité du type sauvage. Les neuf meilleures variantes — SynTnpB v1 à v9 — ont été testées dans des cellules humaines et végétales.
Performances dans les cellules humaines
Les meilleures variantes, SynTnpB v1 et v5, ont montré des améliorations spectaculaires dans les cellules rénales embryonnaires humaines (HEK293T). Au locus rapporteur BFP, le type sauvage ISDra2 TnpB a atteint environ 28 pour cent d’édition. SynTnpB v5 a atteint 50 pour cent. Au locus endogène EMX1, l’amélioration était de 3,8 fois. À plusieurs autres locus — RUNX1, NIBAN1, AGBL1 — les variantes synthétiques ont constamment surpassé l’enzyme naturelle, atteignant 20 à 35 pour cent d’édition contre des taux à un chiffre pour le type sauvage.
Les protéines synthétiques sont remarquablement différentes de leurs homologues naturelles. L’identité de séquence entre les variantes SynTnpB et l’ISDra2 TnpB naturelle n’est que de 50 à 60 pour cent, ce qui en fait essentiellement une nouvelle famille de protéines. La cryo-microscopie électronique a confirmé que les protéines conçues par IA se replient dans la structure prédite, formant de nouveaux contacts stabilisants à l’interface ARN-ADN.
Les variantes ont également fonctionné dans les cellules végétales — protoplastes d’Arabidopsis thaliana — où elles ont surpassé le TnpB de type sauvage sur la plupart des sites cibles.
Encore derrière Cas9
Les variantes SynTnpB restent moins efficaces que les systèmes Cas9 optimisés, qui dépassent régulièrement 80 pour cent d’édition dans les cellules humaines. Mais leur petite taille (environ 45 kilodaltons, contre 160 kDa pour Cas9) leur confère un avantage de délivrance pour la thérapie génique, où les vecteurs AAV ont une capacité de charge limitée.
Le PAM (ou TAM, dans la terminologie TnpB) reste une limitation : les variantes synthétiques reconnaissent toujours le motif TTGAT de 5 nucléotides, ce qui restreint la gamme de séquences ciblables. Les chercheurs notent que des travaux futurs pourraient modifier la spécificité du PAM. Les effets hors cible variaient également, v5 et v7 présentant plus de sites hors cible que le type sauvage.
Sources
- Skopintsev P, Esain-Garcia I, DeTurk EC, et al. « Structure and evolution-guided design of minimal RNA-guided nucleases. » Science 393(6808):313-318, 2026. DOI : 10.1126/science.aed6123
- Nature News : CRISPR gets a power boost from AI-designed molecular scissors
Traduit par Lydie