最小RNA誘導ヌクレアーゼの構造と進化をガイドとした設計

科学分野:

• タンパク質工学
• 合成生物学
• ゲノミクス

背景:

• 強化された特性を持つ新しいRNA誘導ヌクレアーゼの設計は、プログラム可能なゲノム編集を進歩させる上で重要である。
• 酵素的に堅牢な多重ドメインタンパク質を多様に生成することは、タンパク質工学における大きな課題である。

研究 の 目的:

• 最小CRISPR-Cas12様ヌクレアーゼであるTnpBの活性で分岐した変異体を設計するためのAI駆動戦略を開発すること。
• 自然進化によって制約されない特性を持つヌクレアーゼを作成することにより、プログラム可能なゲノム編集の能力を拡張すること。

主な方法:

• 構造ガイド型の逆タンパク質フォールディングと進化情報に基づいた残基制約を組み合わせた人工知能戦略を採用した。
• 高スループット法を用いて、AIによって設計されたTnpB変異体のライブラリを生成し、機能的にスクリーニングした。
• クライオ電子顕微鏡（Cryo-EM）を用いて、高活性変異体の構造を決定した。

主要な成果:

• AIによって生成されたTnpBの変異体は、細菌、植物、ヒト細胞において、野生型と比較してヌクレアーゼ活性を維持または強化した。
• 最も分岐した活性変異体は、異なるコンフォメーション状態にわたるRNA/DNAインターフェイスに新しい安定化接触を示した。
• クライオEM分析により、強化された活性と安定性の構造的基盤についての洞察が得られた。

結論:

• 本研究は、調整された特性を持つ非天然RNA誘導ヌクレアーゼを設計するための強力な戦略を確立する。
• このAI駆動アプローチは、核酸結合剤および編集ツールのための設計可能なタンパク質空間を大幅に拡大する。
• この発見は、自然の進化の制約を超えた新しい生物学的ツールの作成の可能性を示す。