Искусственный интеллект превзошел природу в создании белков для редактирования генома

Исследователи из Integra Therapeutics в сотрудничестве с факультетом медицины и наук о жизни Университета Помпеу Фабра (UPF) и Центром геномной регуляции (CRG) разработали и экспериментально подтвердили новые синтетические белки, способные редактировать человеческий геном эффективнее, чем природные аналоги.

Работа, опубликованная в журнале Nature Biotechnology, будет чрезвычайно полезна для совершенствования современных инструментов редактирования генов, используемых в биотехнологических исследованиях и персонализированной медицине, особенно при разработке клеточных (CAR-T) и генных терапий для лечения рака и редких заболеваний.

Способность безопасно и целенаправленно встраивать крупные последовательности ДНК в геномы стала революцией в исследованиях и разработке передовых терапий. Среди наиболее перспективных систем — транспозазы, такие как PiggyBac, которые «копируют и вставляют» ДНК для введения терапевтических генов в клетки пациентов. Однако их потенциал ограничивался малым разнообразием известных транспозаз и недостаточной точностью.

Изучение биоразнообразия

Исследователи использовали вычислительный биопроспектинг для анализа более 31 000 эукариотических геномов и обнаружили свыше 13 000 новых, ранее неизвестных последовательностей PiggyBac. После экспериментальной проверки на культивируемых человеческих клетках было идентифицировано 10 активных транспозаз, что демонстрирует существование большого функционального разнообразия, которое ещё не изучено.

Две из этих новых транспозаз показали активность, сравнимую с версиями, уже оптимизированными для лабораторного и клинического использования, а одна из них продемонстрировала высокую активность в первичных Т-клетках человека — ключевом типе клеток для терапии рака.

Проектирование с помощью генеративного искусственного интеллекта

На втором этапе исследователи вышли за пределы природы и использовали большую языковую модель для белков (pLLM) — разновидность генеративного искусственного интеллекта. Они обучили модель на 13 000 обнаруженных последовательностей PiggyBac, чтобы генерировать совершенно новые последовательности с улучшенной активностью.

Этот подход не только оптимизировал одну из существующих транспозаз, но и показал, что варианты, созданные ИИ, совместимы с передовыми технологиями редактирования генов, такими как платформа FiCAT.

«Публикация этой статьи в Nature Biotechnology открывает путь к революции в области редактирования генов и передовых терапий и укрепляет позиции Integra Therapeutics на переднем крае разработки генных терапий и использования инновационных инструментов, таких как ИИ для проектирования белков», — отмечает доктор Авенсия Санчес-Мехиас, генеральный директор и сооснователь Integra Therapeutics.

«Впервые мы использовали генеративный ИИ для создания синтетических частей и расширения природы. Подобно тому, как когнитивная мощность ChatGPT может использоваться для написания стихотворения, мы использовали большие языковые модели на основе белков для генерации новых элементов, соответствующих физическим и химическим принципам генов», — объясняет доктор Марк Гуэль, научный руководитель Integra Therapeutics.

«Эти модели ИИ обучаются на всех известных белковых последовательностях на Земле и изучают внутренний язык или «грамматику» белков. Используя эту грамматику, они способны идеально говорить на этом языке, генерируя совершенно новые белки, сохраняющие структурный и функциональный смысл», — говорит доктор Ноэлия Феррус, руководитель группы искусственного интеллекта для проектирования белков в CRG.

Это исследование демонстрирует, как искусственный интеллект может не только имитировать природные биологические процессы, но и превосходить их, открывая новые возможности для лечения ранее неизлечимых заболеваний. Учёные отмечают, что подобные технологии могут значительно ускорить разработку персонализированных лекарственных препаратов.