基因編輯技術(shù)，特別是以CRISPR-Cas9為核心的體系，徹底改變了生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，依賴天然演化而來(lái)的蛋白質(zhì)（如SpCas9）存在固有局限：功能優(yōu)化空間受限，且復(fù)雜的專利格局阻礙了技術(shù)的廣泛普及。盡管科學(xué)家們嘗試通過(guò)定向進(jìn)化或蛋白質(zhì)工程進(jìn)行改良，但這些傳統(tǒng)方法通常需要精確的機(jī)制認(rèn)知和結(jié)構(gòu)指導(dǎo)，成效有限。

近期，人工智能（AI）在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的崛起為解決這些難題提供了全新路徑。2025年7月30日，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature》雜志的論文“Design of highly functional genome editorsby modelling CRISPR–Cas sequences”展示了這一方向的巨大潛力。來(lái)自美國(guó)Profluent公司的研究團(tuán)隊(duì)，在Ali Madani博士的領(lǐng)導(dǎo)下，成功利用AI大語(yǔ)言模型技術(shù)，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了名為OpenCRISPR-1的新型基因編輯器。這項(xiàng)工作標(biāo)志著“人造”基因編輯工具開(kāi)發(fā)的重要里程碑。

核心方法與突破

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型訓(xùn)練：研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一個(gè)龐大的“CRISPR-Cas Atlas”數(shù)據(jù)庫(kù)，整合了超過(guò)120萬(wàn)種天然CRISPR-Cas系統(tǒng)操縱子序列。基于此海量數(shù)據(jù)，他們對(duì)已有的蛋白質(zhì)生成大語(yǔ)言模型（ProGen2）進(jìn)行了針對(duì)性微調(diào)，使其專注于理解和生成具有CRISPR功能的蛋白質(zhì)序列。

創(chuàng)造性的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)：利用微調(diào)后的大語(yǔ)言模型，研究者生成了近百萬(wàn)種人工設(shè)計(jì)的、與天然Cas9功能類似的蛋白質(zhì)（稱為“類Cas9”蛋白）。這些設(shè)計(jì)蛋白展現(xiàn)出了驚人的序列多樣性（整體與天然Cas9序列一致性僅約57%），其新穎程度堪比自然進(jìn)化。

結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與功能潛力：先進(jìn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具（如AlphaFold2）分析顯示，超過(guò)80%的人工設(shè)計(jì)蛋白能形成穩(wěn)定的、高置信度的三維結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵的是，這些結(jié)構(gòu)普遍保留了Cas9執(zhí)行基因編輯功能的核心結(jié)構(gòu)域（如負(fù)責(zé)切割DNA的HNH和RuvC區(qū)域、識(shí)別靶點(diǎn)的PAM互作域及調(diào)控域），即使部分蛋白序列同源性低于40%。

OpenCRISPR-1脫穎而出：在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，研究者從數(shù)十萬(wàn)種候選設(shè)計(jì)中篩選了數(shù)百種進(jìn)行細(xì)胞功能測(cè)試（主要在HEK293T細(xì)胞中進(jìn)行）。其中，被命名為OpenCRISPR-1的設(shè)計(jì)蛋白表現(xiàn)尤為亮眼：

· 高效精準(zhǔn)：在多個(gè)基因組位點(diǎn)上，其編輯效率與廣泛使用的SpCas9相當(dāng)，甚至更優(yōu)。

· 脫靶率低：嚴(yán)格的脫靶檢測(cè)（如SITE-Seq）證實(shí)，OpenCRISPR-1具有顯著降低的非目標(biāo)編輯活性，意味著更高的特異性。

· 序列獨(dú)特：OpenCRISPR-1由1380個(gè)氨基酸組成，與SpCas9存在超過(guò)400個(gè)氨基酸位點(diǎn)的差異，也與任何已知天然蛋白明顯不同（至少182個(gè)位點(diǎn)不同）。結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)表明，這些差異主要位于蛋白表面或非關(guān)鍵界面。

· 兼容性強(qiáng)：研究者成功將OpenCRISPR-1與堿基脫氨酶融合，構(gòu)建出功能性的堿基編輯器，證明了其作為編輯平臺(tái)核心的實(shí)用性。

· 免疫原性低：初步數(shù)據(jù)顯示其可能具有較低的免疫原性風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)：研究不僅限于編輯蛋白本身。團(tuán)隊(duì)還利用AI模型設(shè)計(jì)了適配這些新型類Cas9蛋白的引導(dǎo)RNA（sgRNA），其中數(shù)十種設(shè)計(jì)sgRNA的性能超越了標(biāo)準(zhǔn)sgRNA。此外，他們還應(yīng)用類似策略對(duì)堿基編輯器的關(guān)鍵組分——堿基脫氨酶進(jìn)行了成功的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

意義與前景

這項(xiàng)研究首次系統(tǒng)性地證明了基于大語(yǔ)言模型的AI設(shè)計(jì)，能夠創(chuàng)造出性能可與天然明星蛋白比肩甚至更優(yōu)的全新基因編輯工具。OpenCRISPR-1的成功開(kāi)發(fā)是這一策略的有力例證。

突破專利壁壘：尤為關(guān)鍵的是，研究團(tuán)隊(duì)宣布OpenCRISPR-1將采取免費(fèi)開(kāi)源的方式提供。這為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界繞過(guò)現(xiàn)有復(fù)雜的Cas9專利限制，推動(dòng)基因編輯技術(shù)的更廣泛、更自由的應(yīng)用，開(kāi)辟了一條極具吸引力的新路徑。

開(kāi)啟設(shè)計(jì)新時(shí)代：該成果不僅提供了一種強(qiáng)大的新型基因編輯工具，更重要的是確立了一種“全鏈條”的AI蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)范式——從核心編輯酶（Cas9類似物）到功能配件（脫氨酶）再到引導(dǎo)元件（sgRNA）均可進(jìn)行人工設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這為未來(lái)開(kāi)發(fā)更多樣化、功能更強(qiáng)大的下一代基因編輯技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)論

人工智能驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)正以前所未有的速度重塑生物技術(shù)領(lǐng)域。OpenCRISPR-1的問(wèn)世及其開(kāi)源策略，是AI在解決基因編輯關(guān)鍵瓶頸（功能局限和專利障礙）上的重大實(shí)踐成果。它不僅帶來(lái)了一個(gè)高性能的新工具，更打開(kāi)了一扇通向按需設(shè)計(jì)、功能定制化基因編輯系統(tǒng)的大門(mén)，預(yù)示著該領(lǐng)域即將迎來(lái)更深遠(yuǎn)的變革。

參考文獻(xiàn)

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09298-z