基因编辑革命可能即将迎来一次强大的升级，，不是通过发现新的天然酶，而是从头设计一种。由诺贝尔奖得主Jennifer Doudna领导的加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的研究人员利用人工智能，创造了比自然界产生的任何酶都更高效的合成版CRISPR酶。
这项发表在《科学》杂志上的研究聚焦于TnpB蛋白，即CRISPR-Cas12家族的古老进化祖先。这些是超紧凑的核酸酶，长约400个氨基酸，小到足以通过AAV载体递送用于基因治疗。但天然TnpB存在一个问题：它们在人类细胞中效率低下，通常编辑率远低于30%。
AI方法
研究团队使用了ESM逆向折叠（ESM-IF1），这是一种最初在Meta AI开发的结构引导蛋白质设计模型。给定目标3D蛋白质结构，该模型预测应折叠成该形状的氨基酸序列。但团队增加了一个关键约束：他们屏蔽了核酸界面处功能关键的残基，根据在16，335个TnpB序列上训练的Potts模型的进化保守数据将其固定。
“如果没有这些约束，AI可能会生成一个完美折叠但根本无法结合DNA或RNA的蛋白质，”该研究的共同第一作者Petr Skopintsev说。
从Deinococcus radiodurans的ISDra2 TnpB骨架出发，AI生成了数千个候选序列。在E. coli中测试的1，980个设计中，466个（24%）是功能性核酸酶，约8%超过了野生型活性。排名前九的变体，，SynTnpB v1至v9，，在人类和植物细胞中进行了测试。
在人类细胞中的表现
最佳变体SynTnpB v1和v5在人类胚胎肾（HEK293T）细胞中显示出显著改善。在BFP报告基因位点，野生型ISDra2 TnpB实现了约28%的编辑。SynTnpB v5达到了50%。在内源EMX1位点，改善幅度为3.8倍。在其他多个位点，，RUNX1，NIBAN1，AGBL1，，合成变体持续优于天然酶，实现了20%至35%的编辑率，而野生型仅为个位数。
合成蛋白与其天然对应物显著不同。SynTnpB变体与天然ISDra2 TnpB之间的序列同一性仅为50%至60%，使其本质上成为一个新的蛋白质家族。冷冻电镜证实，AI设计的蛋白质折叠成预测结构，在RNA-DNA界面形成新的稳定化接触。
这些变体在植物细胞（Arabidopsis thaliana原生质体）中也有效，在大多数目标位点上优于野生型TnpB。
仍落后于Cas9
SynTnpB变体的效率仍然低于优化的Cas9系统，后者在人类细胞中常规超过80%的编辑率。但它们的小尺寸（约45千道尔顿，而Cas9为160 kDa）为基因治疗提供了递送优势，因为AAV载体的载荷能力有限。
PAM（在TnpB术语中为TAM）仍然是一个限制：合成变体仍然识别5核苷酸的TTGAT基序，这限制了可靶向序列的范围。研究人员指出，未来的工作可能会改造PAM特异性。脱靶效应也各不相同，v5和v7显示出比野生型更多的脱靶位点。
来源
- Skopintsev P， Esain-Garcia I， DeTurk EC， 等。”Structure and evolution-guided design of minimal RNA-guided nucleases。”《科学》393(6808):313-318，2026年。DOI：10.1126/science.aed6123
- 《自然》新闻：CRISPR gets a power boost from AI-designed molecular scissors
婷 翻译