Forscher in Melbourne haben eine auf künstlicher Intelligenz basierende Methode zur Herstellung synthetischer Proteininhibitoren für CRISPR-Gen-Editierungssysteme entwickelt. Dieser KI-beschleunigte Ansatz erzielte innerhalb von 8 Wochen Ergebnisse, die traditionell jahrelange Entdeckungsforschung erfordern würden. Die Studie wurde am 26. Januar veröffentlicht Natur Chemische Biologie beschreibt detailliert das Design von AIcrs, bei denen es sich um von KI entwickelte Anti-CRISPRs handelt. Diese Inhibitoren zielen auf das RNA-editierende CRISPR-Cas13a-System ab und weisen eine nanomolare Wirksamkeit auf. CRISPR-Technologien haben die Genmedizin vorangebracht, es bestehen jedoch weiterhin Sicherheitsbedenken, da das aktive Enzym möglicherweise unbeabsichtigte Schäden an gesunden Genen verursachen kann. Anti-CRISPR-Proteine können dies abmildern, indem sie die Gen-Editierungsmaschinerie regulieren. Natürliche Anti-CRISPRs sind selten; Nur 118 wurden im Laufe der 10-jährigen Forschung identifiziert. Dr. Cyntia Taveneau, Proteindesignerin an der Monash University und Hauptautorin, gab an, dass funktionelle CRISPR-Inhibitoren mithilfe des KI-beschleunigten Proteindesigns schnell hergestellt wurden und dass diese Inhibitoren sowohl in bakteriellen als auch in menschlichen Zellen funktionieren. Das Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Gavin Knott vom Biomedicine Discovery Institute der Monash University und Dr. Rhys Grinter vom Bio21 Institute der University of Melbourne nutzte RoseTTAFold Diffusion und ProteinMPNN. Diese Tools generierten 10.000 potenzielle Designs, die auf die HEPN-Nukleasedomäne von LbuCas13a abzielten. Von den 96 gefilterten Kandidaten zeigten drei Leitinhibitoren mit den Namen AIcrVIA1, AIcrVIA2 und AIcrVIA3 IC50-Werte von etwa 7 Nanomolar, was auf eine hohe Hemmwirkung hinweist. Die Validierung umfasste Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie. Die Kristallstruktur von AIcrVIA1 bei einer Auflösung von 1,9 Angström zeigte eine enge Übereinstimmung zwischen dem tatsächlichen Protein und dem Computerdesign. Die Inhibitoren waren in lebenden Systemen wirksam. In Bakterienzellen stellte die Expression eines der drei AIcrVIAs die zuvor durch CRISPR-Aktivität unterdrückten Bakteriophagentiter wieder her. In menschlichen HEK293T-Zellen stellten die Inhibitoren die Expression fluoreszierender Proteine wieder her, die durch Cas13a-vermittelte RNA-Spaltung reduziert worden war. Associate Professor Knott wies darauf hin, dass die Fähigkeit, maßgeschneiderte Inhibitoren zur Regulierung von CRISPR zu entwickeln, zur Entwicklung von CRISPR-Tools in Forschung, Medizin, Landwirtschaft und Mikrobiologie beitragen wird. Im Gegensatz zu natürlichen Anti-CRISPRs aus Phagen, die eine begrenzte mechanistische Kontrolle bieten, ermöglichen KI-entwickelte Inhibitoren den Forschern die Festlegung, wo und wie sie die CRISPR-Aktivität blockieren. Dieser Ansatz könnte angepasst werden, um Inhibitoren für andere CRISPR-Systeme zu entwickeln, darunter TnpB, Fanzor und CRISPR-gesteuerte DNA-Integrasen. Dr. Grinter wies darauf hin, dass die Entdeckung natürlicher Inhibitoren für klinisch relevante Ziele weiterhin eine Herausforderung und zeitaufwändig sei. Er erklärte, dass diese Studie einen schnellen Ansatz für das Anti-CRISPR-Design umsetzte und KI nutzte, um hochpräzise und spezifische Anti-CRISPRs zu erstellen.
