Как нейросеть придумала белки, которых нет в природе, и обошла эволюцию

В далеком 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье описали способ редактирования ДНК с помощью системы CRISPR-Cas9 и спустя восемь лет получили за эту работу Нобелевскую премию.

16 июля 2026 года команда Дженнифер Дудны представила в Science ^[1] способ проектирования белков с помощью ИИ. Ученые создали компактные нуклеазы, которых нет в природе, а затем проверили их в бактериях, растительных и человеческих клетках. Некоторые варианты работали лучше белка, с которого начался эксперимент. Зачем генной терапии искусственный редактор клеток и что ждать в будущем — разбираемся в материале ниже.

Что бактерии придумали задолго до нас

У бактерий тоже есть природные враги. Их атакуют бактериофаги, вводящие свою ДНК внутрь клетки, чтобы заставить ее собирать новые вирусные частицы. У некоторых бактерий короткие фрагменты вирусной ДНК сохраняются в участке иммунной системы ^[2], называемом CRISPR.

В нем между повторяющимися последовательностями находятся фрагменты геномов вирусов (спейсеры), с которыми бактерия или ее предки уже встречались. При новой атаке клетка считывает нужный спейсер и делает на его основе короткую РНК ^[3]. Она приводит белок Cas к совпадающему участку вирусной ДНК, и тот «разрезает» чужой генетический материал. Оставалось понять, заставить этот механизм резать любую нужную последовательность.

Прорыв 2012 года

До появления CRISPR ученые работали с генами с помощью отдельных белков под каждую последовательность, но для каждого участка ДНК приходилось создавать отдельный белок. Все это было долго и сложно. В 2012 году Мартин Йинек, Дженнифер Дудна, Эммануэль Шарпантье и их коллеги представили ^[4] CRISPR-Cas9. 

Они разобрали механизм Cas9 и показали, что его можно направить к выбранному участку ДНК с помощью РНК. Две природные РНК исследователи также объединили в одну искусственную направляющую, которую теперь называют single-guide RNA, или sgRNA.

Система работает поэтапно: 

• сначала комплекс Cas9 и sgRNA ищет короткую последовательность PAM рядом с предполагаемой мишенью;

• затем направляющая РНК проверяет совпадение с соседним участком ДНК. Если адрес подходит, Cas9 разрезает обе цепи.

Но «разрез» сам по себе — это еще не генное редактирование, ведь изменение появляется, когда клетка начинает чинить повреждение. Если дать клетке подходящую матрицу, иногда можно заменить участок на нужную последовательность, хотя такой ремонт сложнее и работает далеко не во всех клетках.

Уже в начале 2013 года несколько групп применили ^[5] Cas9 в клетках млекопитающих, включая человеческие. Через восемь лет после основной работы Дудна и Шарпантье получили ^[6] Нобелевскую премию по химии за разработку метода редактирования генома.

Зачем вообще «резать» ДНК

Редактирование генома позволяет отключать отдельные гены, а затем оценивать изменения в клетках. В сельском хозяйстве так можно получить сорта, устойчивые к морозу, засухе, болезням или вредителям. А то и ко всему этому вместе. В медицине отключение последовательностей позволяет бороться с разными заболеваниями. 

Возможности модификации ДНК развивались быстрее, чем люди могли осознать эту технологию. В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй отредактировал ^[7] геном человеческих эмбрионов. С помощью Cas9 он изменил ген CCR5, который связан с проникновением ВИЧ. 

Научное сообщество осудило Хэ за отсутствие предварительной заявки, доказанной медицинской необходимости и потенциальный риск как для рожденных детей, так и для их потомков. В итоге китайский суд приговорил исследователя к трем годам заключения.

Тем не менее родившиеся в рамках эксперимента дети живы и здоровы ^[8], а Хэ продолжил свои исследования после освобождения. 

Постепенно отношение к подобным экспериментам меняется. В 2023 году в Британии технологию изменения генов разрешили ^[9] использовать при анемии ^[10] и бета-талассемии. При этой процедуре врачи извлекают у пациентов стволовые клетки, меняют участок гена BCL11A и возвращают клетки обратно. 

CRISPR научилась менять человеческие клетки, но следующей большой задачей стала доставка редактора к нужной ткани внутри организма.

Почему Cas9 не помещается в доставку

SpCas9 из бактерии Streptococcus pyogenes состоит из 1368 аминокислот, а кодирующий его ген занимает примерно 4,1 тыс. пар оснований. Для доставки таких генов часто используют аденоассоциированные вирусы (AAV). Из них убирают вирусы и сохраняют оболочку, способную проникать в клетки — внутрь такой оболочки помещается около 4,7 тыс. пар оснований. Одного гена SpCas9 почти достаточно, чтобы заполнить весь объем, но еще же нужны направляющая РНК, промоторы и другие регуляторные элементы.

Размер не единственная проблема: нуклеаза может задеть похожую последовательность вне нужного участка, вызвать иммунную реакцию ^[11] или хорошо работать в одной ткани, но плохо в другой. 

Все это связано с тем, что природный Cas9 эволюционировал как оружие бактерии против вируса. Поэтому исследователи продолжают искать другие RNA-направленные нуклеазы, и один из самых интересных кандидатов называется TnpB.

Маленький предок Cas12

Белок TnpB кодируют мобильные элементы семейства IS200/IS605. Такие фрагменты ДНК могут перемещаться по геному, поэтому их часто называют «прыгающими генами». 

В 2021 году две независимые команды показали в Science ^[12], что TnpB является RNA-направленной нуклеазой — он использует собственную направляющую РНК, узнает участок ДНК рядом с короткой меткой TAM и делает разрез. По устройству TnpB считают компактным эволюционным предком нуклеаз Cas12.

TnpB из мобильного элемента ISDra2 бактерии Deinococcus radiodurans состоит всего из 408 аминокислот, а его ген занимает около 1,2 тыс. пар оснований. Поэтому весь редактор вместе с направляющей РНК и регуляторными элементами можно уместить в один AAV.

Однако маленький размер не сделал природный TnpB готовым лекарством. Его активность сильно зависит от клетки и конкретной мишени, а обязательная TAM-последовательность ограничивает выбор адресов. 

Перед учеными оказался хороший, но недоделанный инструмент — он помещается в доставку, но работает слабее, чем хотелось бы. В связи с этим команда Дудны решила расширить поиск с помощью моделей машинного обучения ^[13].

Как ИИ помог ученым 

В 2026 году исследователи использовали ^[1] ESM-IF1 — модель обратного сворачивания белков, созданную в Meta AI*. Они отказались от AlphaFold, потому что она получает аминокислотную последовательность и предсказывает трехмерную структуру белка, а ESM-IF1 получает уже готовую структуру и предлагает последовательности, способные принять похожую форму.

Это не означает, что модели показали белок и получили готовый редактор. Исследователи ограничили свободу модели, потому что TnpB должен одновременно удерживать направляющую РНК, находить ДНК, проверять TAM, менять форму и проводить химическую реакцию разрезания. 

Специалисты сравнили природные TnpB и определили аминокислоты, которые почти не менялись в ходе эволюции или менялись согласованно с участками РНК и ДНК. Такие позиции критичны, и их сохранили, разрешив перестраивать более вариативные области.

Белок же разделили на две части: лопасть REC в основном участвует в распознавании нуклеиновых кислот, а NUC содержит каталитический центр. Для каждой части модель предложила свои варианты. 

После вычислительного отбора ученые выбрали 44 версии REC и 45 версий NUC, соединили их во всех сочетаниях и получили 1980 полноразмерных белков. Затем началась лабораторная работа: все конструкции синтезировали и проверили в бактериях. Активные варианты перенесли в человеческие клетки и растительные клетки без внешней клеточной стенки.

Из 1980 конструкций активность в бактериальном тесте показали 466 — почти 24%. Около 8% всех проверенных вариантов превзошли исходный природный TnpB. Для белковой инженерии это высокий результат, потому что многочисленные замены часто нарушают сворачивание или работу активного центра.

Не первый ИИ-редактор

Такие ИИ-редакторы клеток были и ранее. В 2024 году компания Profluent представила ^[14] OpenCRISPR-1 — Cas9-подобную нуклеазу, сгенерированную белковой языковой моделью. Позже результаты опубликовали в Nature ^[15].

Profluent обучала модель на большом массиве последовательностей CRISPR-систем и генерировала новые последовательности без заданной трехмерной структуры. Из сотен тысяч вариантов исследователи выбрали 209 для лабораторной проверки. OpenCRISPR-1 сохранил активность Cas9, а в использованном тесте медианная доля известного внецелевого редактирования снизилась с 6,1 до 0,32%.

Но OpenCRISPR-1 состоит из 1380 аминокислот и остается крупным белком. Команда Дудны начала с компактного TnpB и показала, как далеко можно изменить его последовательность, не потеряв функцию. 

ИИ обошел эволюцию 

Новое открытие — воспроизводимый конвейер на базе ИИ — позволяет проектировать семейства редакторов под разные ограничения. Одному понадобится минимальный размер, другому устойчивость при определенной температуре, а третьему — высокая активность в конкретной ткани или работа с другой TAM. 

Раньше подходящий белок сначала искали в природе, а затем годами улучшали мутациями. Теперь поиск можно начинать с требуемой структуры и сразу проверять сотни существенно разных версий.

Где подвох

SynTnpB пока не используется для лечения людей: новые нуклеазы испытали в бактериях, изолированных растительных клетках и культуре человеческих клеток. Их не вводили животным, не доставляли в органы и не проверяли в клинических исследованиях.

Перед применением у людей придется подробно изучить внецелевые разрезы по всему геному, иммуногенность, стабильность, дозировку и последствия длительной работы. Уже в клеточных тестах варианты вели себя по-разному: специфичность v1 была близка к природному белку, а у v5 и v7 исследователи нашли больше внецелевых участков. Существенное отличие от природных белков может уменьшить узнавание существующими антителами и может создать новые иммунные риски. Это вручную предстоит измерить ученым, а не угадать по последовательности с помощью ИИ.

Делитесь в комментариях, готовы ли вы с помощью такой технологии избавиться от аллергии или генетического заболевания? Если нет — чего боитесь? 

* Компания Meta Platforms Inc. признана экстремистской организацией, и ее деятельность запрещена на территории Российской Федерации.