诺奖团队实现“超越自然演化”AI蛋白质设计，新型基因编辑蛋白活性超天然酶

【导语诺奖得主Jennifer Doudna团队在Science发表研究实现“超越自然演化”的AI蛋白质设计创造出新型基因编辑蛋白SynTnpB部分变体活性超天然酶本文将深入剖析其技术细节、优势与不足。】结合结构与进化信息的AI设计策略目前CRISPR - Cas技术虽能精准编辑DNA/RNA但设计自然界不存在且有活性的RNA引导核酸酶并非易事。现有序列模型生成的酶接近天然序列结构引导设计难在改写序列时保留活性。Doudna团队提出结合结构与进化信息的AI蛋白设计策略选择小型RNA引导核酸酶TnpB作为设计对象。先采用ESM逆折叠模型根据TnpB三维结构生成候选序列针对AI生成序列改动部分RNA/DNA识别残基的问题基于进化信息构建序列掩码固定部分残基其余位置重新设计。筛选高活性、高多样性变体完成序列设计后团队用细菌ccdB毒素系统筛选活性变体。因仅用Ci约束的全长设计活性有限拆分测试TnpB的REC和NUC两个结构域发现NUC更耐受序列变化。基于此采用Ci/σi双条件约束组合在1980个REC - NUC组合中筛出9个高活性、高多样性的变体。活性超越天然酶的多维度验证AI设计的SynTnpB变体在细菌、植物和人类细胞中保留活性甚至超越天然酶。在人类细胞中多数变体活性与野生型相当v1和v5表现最佳最高编辑率达50%约为野生型的1.8倍植物细胞实验中v1在多数测试靶点上优于野生型。从特异性看SynTnpB变体保留典型TTGATTAM偏好但脱靶表现因变体而异。表达和生化表征显示编辑活性差异不能简单归因于表达水平。冷冻电镜结构显示AI生成的残基在多个结构域与RNA - DNA形成新接触稳定不同构象状态下的界面还捕获到此前未在TnpB中报道过的TAM结合构象中间态。技术不足与未来发展方向该方法虽有望推广到更多RNA引导核酸酶及其他动态核酸结合蛋白但存在不足。在设计目标上TnpB不同结构域对序列改变耐受性不同未来需检验模块化设计原则是否适用于其他多结构域蛋白。数据条件方面序列掩码依赖丰富进化信息对数据库中序列的多样性和代表性要求较高。机制理解方面AI生成残基如何影响核酸结合和构象变化仍需进一步研究。编辑观点诺奖团队的研究成果为AI蛋白质设计带来新突破但也面临一些挑战。未来需在多方面深入研究以推动该技术在更多领域的广泛应用。