Grupa GAO Caixia z Instytutu Genetyki i Biologii Rozwoju Chińskiej Akademii Nauk jest pionierem w wykorzystaniu metod wspomaganych sztuczną inteligencją (AI) do odkrywania nowych białek deaminazy o unikalnych funkcjach poprzez przewidywanie strukturalne i klasyfikację.

Takie podejście otworzyło szereg zastosowań do odkrywania i tworzenia pożądanych cech genetycznych roślin.

Wyniki opublikowano w Komórka.

Odkrycie nowych białek i wykorzystanie różnych inżynieryjnych enzymów przyczyniło się do szybkiego rozwoju biotechnologii. Obecnie wysiłki mające na celu wydobycie nowych białek zasadniczo opierają się na sekwencjach aminokwasowych, które nie mogą zapewnić solidnego powiązania między informacjami strukturalnymi a funkcją białek.

Edycja zasad to nowa technologia precyzyjnej edycji genomu, która może zrewolucjonizować molekularną hodowlę roślin poprzez wprowadzenie pożądanych cech do elitarnej plazmy zarodkowej. Odkrycie kilku deaminaz rozszerzyło możliwości edycji zasady cytozyny. Chociaż tradycyjne wysiłki oparte na sekwencjach zidentyfikowały wiele białek do wykorzystania jako edytory zasad, nadal istnieją ograniczenia w edytowaniu określonych sekwencji DNA lub gatunków.

Kanoniczne wysiłki oparte wyłącznie na inżynierii białek i ukierunkowanej ewolucji pomogły zróżnicować podstawowe właściwości edycji, ale wyzwania pozostają. Przewidując struktury białek z rodziny deaminaz za pomocą AlphaFold2, naukowcy pogrupowali i przeanalizowali deaminazy na podstawie podobieństw strukturalnych. Zidentyfikowali pięć nowych klastrów deaminaz z aktywnością deaminacji cytydyny w kontekście edytorów baz DNA.

Korzystając z tego podejścia, dokonali dalszej reklasyfikacji grupy deaminaz cytydynowych, nazwanych SCP1.201 i wcześniej sądzono, że działają na dsDNA, aby przeprowadzać deaminację przede wszystkim na ssDNA. Poprzez późniejsze profilowanie białek i wysiłki inżynieryjne opracowali zestaw nowych edytorów baz DNA o niezwykłych funkcjach. Te deaminazy wykazują właściwości, takie jak wyższa wydajność, mniejsze generowanie zdarzeń edycji poza celem, edycja przy różnych preferowanych motywach sekwencji i znacznie mniejszy rozmiar.

Naukowcy podkreślili, że opracowanie pakietu edytorów bazowych umożliwiłoby w przyszłości dostosowywanie aplikacji do różnych działań w zakresie hodowli terapeutycznej lub rolniczej. Opracowali najmniejszą jednoniciową specyficzną deaminazę cytydynową, umożliwiającą umieszczenie pierwszego wydajnego edytora zasad cytozynowych w pojedynczym wirusie związanym z adenowirusem.

Odkryli również wysoce skuteczną deaminazę z tego kladu, specjalnie dla roślin soi, ważnej na całym świecie uprawy rolnej, która wcześniej wykazywała słabą edycję przez redaktorów baz cytozynowych.

Ogólnie rzecz biorąc, niedawne pojawienie się przewidywania struktury białek przy użyciu rosnących baz danych genomowych znacznie przyspieszy rozwój nowych narzędzi bioinżynierii.

Badanie to podkreśla podejście, które wykorzystuje tylko nadrodzinę deaminaz cytydynowych do opracowania zestawu nowych technologii i odkrycia nowych funkcji białek. Te nowo odkryte deaminazy, oparte na przewidywaniach strukturalnych wspomaganych przez sztuczną inteligencję, znacznie rozszerzają użyteczność podstawowych edytorów do zastosowań terapeutycznych i rolniczych.

Ponadto badanie to będzie przedmiotem szerokiego zainteresowania szerszej społeczności badawczej zajmującej się filogenetyką, metagenomiką, inżynierią i ewolucją białek, edycją genomu i hodowlą roślin.

Badanie było wspierane między innymi przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin, Narodowy Kluczowy Program Badań i Rozwoju Chin oraz Ministerstwo Rolnictwa i Spraw Wsi Chin.