Китайские ученые под руководством профессора Гао Цайся из Института генетики и биологии развития Академии наук Китая разработали метод, который может перевернуть представления о белковой инженерии. Их подход, названный AiCE (AI-informed Constraints for protein Engineering), позволяет быстро и эффективно модифицировать белки, используя данные об их структуре и эволюции. В отличие от других методов, он не требует сложных ИИ-моделей — вместо этого ученые применили уже существующие алгоритмы, добавив к ним новые ограничения.

Результаты опубликованы в издании Cell.

Раньше белковая инженерия сталкивалась с проблемами: дороговизна, долгий процесс, ограниченная точность. Современные ИИ-методы требуют огромных вычислительных мощностей, а их результаты не всегда предсказуемы. AiCE решает эти проблемы.

Сначала ученые создали модуль AiCEsingle, который предсказывает, какие единичные замены аминокислот улучшат белок. Он анализирует структуру белка и предлагает наиболее удачные варианты. Тесты на 60 наборах мутаций показали, что AiCEsingle точнее других методов на 36–90%. Даже простое добавление структурных ограничений повысило точность на 37%.

Но замена одной аминокислоты — это только начало. Когда изменяют несколько участков белка, возникает проблема негативных взаимодействий  (эпистаз): одна мутация может испортить эффект другой. Для этого разработали AiCEmulti — он учитывает эволюционные связи между аминокислотами и помогает подбирать несколько мутаций сразу без потери эффективности.

С помощью AiCE ученые усовершенствовали восемь белков, включая деаминазы, нуклеазы и обратные транскриптазы. Эти модификации привели к созданию новых инструментов для геномного редактирования:

• enABE8e — редактор цитозина с вдвое более точным действием,
• enSdd6-CBE — редактор аденина с повышенной надежностью,
• enDdd1-DdCBE — митохондриальный редактор, который работает в 13 раз активнее.

AiCE — это не просто новый метод, а универсальный ключ к белковой инженерии. Он делает сложные процессы проще, дешевле и доступнее, открывая дорогу для новых открытий в медицине и сельском хозяйстве.

Где это пригодится

• Медицина — более точное редактирование генов снизит риски побочных эффектов при лечении наследственных заболеваний.
• Сельское хозяйство — создание устойчивых культур без долгого перебора случайных мутаций.
• Биотехнологии — ускоренная разработка ферментов для промышленности.

Главное преимущество AiCE — экономия времени и ресурсов. Если раньше на подбор нужной мутации уходили месяцы, теперь это можно сделать за дни.

Метод опирается на обратную укладку белка  (inverse folding) — алгоритмы, которые предсказывают последовательность аминокислот по структуре. Но эти модели все еще не идеальны: они могут пропускать редкие, но важные варианты. Кроме того, AiCE тестировали в основном на известных белках — как он поведет себя с малоизученными структурами, пока неясно.

Обратная укладка белка (inverse folding) — это процесс, при котором компьютерная модель предсказывает последовательность аминокислот, способную свернуться в заданную трехмерную структуру. Если представить белок как оригами, то обычное моделирование отвечает на вопрос: «Как сложится этот лист бумаги?», а обратная укладка — „Какой лист бумаги нужно взять, чтобы получилась именно эта фигура?“

Ранее биологи модифицировали РНК, расширив генетический код.