AI如何创造自然界不存在的CRISPR核酸酶？解读Doudna团队Science最新成果

十几年来，CRISPR已经取得了长足的发展，但仍存在许多局限。现有的CRISPR核酸酶几乎都是来源于自然界，由于天然限制，对其工程化改造始终受限重重。例如，传统定向进化与理性设计手段通常只能改动1%~2%的蛋白序列，稍有偏差就会导致酶彻底失活；而新型核酸酶的发现依赖自然界筛选和无数的试错实验，周期长且成本高。

直到最近，一项新研究带来了新的希望。2026年7月16日，诺奖得主Jennifer Doudna的团队在Science上发表了一篇新论文，首次利用人工智能技术设计出自然界中不存在的TnpB变体CRISPR核酸酶SynTnpB。经过实验证实，这些人工设计的核酸酶不光保留了基因编辑能力，部分变体在细菌、植物及人类细胞中的编辑效率甚至超越了天然同源蛋白。

目前，科学家们已经发现了多种具有基因编辑能力的RNA引导核酸酶，例如Cas9、Cas12、Cas13等。但由于这些核酸酶普遍体积较大，难以通过一些小型病毒载体进行递送。因此，这极大限制了它们在基因治疗中的应用。业界一直致力于寻找更小、更高效、更易于递送的新型核酸酶。

之后科学家们开始关注一种名为TnpB的DNA修饰酶。TnpB因最初在转座子中发现而得名，对于很多人来说，这个名字或许没有Cas9、Cas12那么广为人知，但TnpB具有更小的蛋白尺寸和更紧凑的结构，这一特点使其在体内基因编辑领域具有优势，尤其是在依赖AAV等病毒载体递送时。

所以在此次研究中，研究团队选择了TnpB作为AI设计的模板。

过去，科学家改造CRISPR蛋白通常是在天然蛋白的基础上进行少量优化，比如修改几个关键氨基酸，以改善活性、降低脱靶或拓宽适用范围。这种策略的效果有限，因为蛋白质结构极其复杂，一旦改动过多，就很容易失去功能，研究人员往往只能进行非常有限的调整。

因此，Doudna团队决定另辟蹊径。他们没有对天然TnpB进行微小的改动，而是借助AI重新设计整个蛋白序列，希望创造出自然界没有的新型核酸酶。最终，他们获得了一系列人工设计的蛋白，并将其命名为SynTnpB。

这些蛋白与天然TnpB的序列差异很大，但仍然能够在RNA引导下精准识别并切割目标DNA，完成基因编辑，是真正意义上由AI设计出来的CRISPR工具。

要设计一种能够正常工作的蛋白，并不是一件容易的事情。蛋白质不仅需要拥有正确的氨基酸序列，还必须折叠形成精确的三维结构，才能正确识别RNA、结合并切割DNA。蛋白设计中任何一个关键区域出错，都可能导致整个蛋白失去活性。研究团队采用了“两步走”的策略来提高成功概率。

第一步，基于蛋白三维结构反向生成序列。

研究人员将天然TnpB的三维结构提供给AI模型，并要求模型在保持整体结构稳定的前提下，重新设计蛋白序列。也就是说，AI并不是简单地修改几个氨基酸，而是在相同的结构框架下，探索全新的序列组合。这一过程生成了数千种候选蛋白。

但正确的结构并不意味着蛋白一定能够发挥功能。研究团队训练了第二个AI模型，用于进一步筛选这些序列。

图1 AI从天然结构生成新型SynTnpB

第二步，基于功能约束的AI活性筛选。

这个模型学习了大量已有实验数据，让它分析哪些区域对蛋白功能至关重要、哪些位置可以自由调整，并据此筛选出最有可能保持编辑活性的候选蛋白。

经过两轮AI设计与筛选后，研究人员再通过实验逐一验证这些候选蛋白的编辑活性，最终得到了具备稳定基因编辑活性的SynTnpB系列变体。

图2 AI筛选获得具有编辑活性的SynTnpB

多轮细胞实验和结构解析表明，SynTnpB不仅能够正常发挥基因编辑功能，还在多个关键指标上实现了突破。

第一，序列改造幅度实现量级提升。SynTnpB与天然TnpB相比，蛋白序列差异最高约30%，远高于只能修改1%～2%的水平，这证明AI可以在不破坏核心功能的前提下，对蛋白序列进行大幅度重设计。

第二，在不同物种细胞中均保持编辑活性。功能实验显示，这些人工合成的核酸酶可在细菌、植物细胞与人类细胞中正常工作，完成目标基因的插入与删除操作，具有CRISPR系统的完整基因编辑能力。

图3 部分SynTnpB编辑效率超过天然TnpB

第三，编辑效率优于天然酶且特异性未下降。在人类细胞内源基因位点的测试中，部分合成变体的编辑效率比天然TnpB高出3.8倍；同时脱靶检测结果显示，合成酶的脱靶水平与天然酶相当，并未因效率提升而导致精准度下降。

通过冷冻电镜解析，研究团队发现AI设计的新序列在蛋白内部形成了更强的静电相互作用网络，像是一双更有力的手紧紧握住RNA 分子。此外，研究发现了天然TnpB研究中尚未观察到的底物结合中间态，为理解CRISPR核酸酶的作用机制提供了新的结构证据。

图4 冷冻电镜揭示SynTnpB活性增强机制

相比获得一种性能更优的新型核酸酶，这项研究更大的价值在于方法学上的突破。研究团队建立了一套"结构逆折叠设计+功能保守性约束筛选"的AI设计流程。这一策略不仅适用于TnpB，也适用于Cas9、Cas12等更多CRISPR蛋白家族的改造与优化，这为开发新型基因编辑工具提供了可复制的技术路径。

在应用层面，TnpB本身具备蛋白尺寸小的优势，加上AI优化后的高编辑效率，有望解决在体内基因治疗中载体装载容量不足的问题，为行业提供更多元的编辑工具选择。

当然，眼下这项研究仍然属于基础研究阶段。SynTnpB未来能否应用于临床，还需要在多个方面进行进一步验证，包括编辑准确性、安全性以及体内递送等。尽管如此，这项研究已经清晰地展示了一种新的研发范式。