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Reescribir unas tijeras CRISPR más pequeñas: TnpB sintetizada por IA funciona en bacterias, plantas y células humanas
Un equipo de investigación utilizó la estructura de proteínas y la información evolutiva para restringir el diseño mediante IA y crear enzimas compactas de edición genética inexistentes en la naturaleza; algunas versiones superaron la actividad de la TnpB natural, pero aún quedan numerosos obstáculos antes de los ensayos en animales y las aplicaciones médicas.
Las herramientas de edición genética no tienen por qué proceder exclusivamente de la naturaleza. Investigadores han utilizado inteligencia artificial para reorganizar la secuencia de aminoácidos de TnpB, una nucleasa compacta guiada por ARN, y crear un conjunto de versiones sintéticas, denominadas SynTnpB, que nunca se habían encontrado en la naturaleza. Estas moléculas no solo conservaron su función en bacterias, sino que algunas también alcanzaron o superaron la eficiencia de edición de la enzima natural en plantas y células humanas, lo que aporta evidencia experimental para el diseño de herramientas CRISPR más pequeñas.
TnpB se considera un pariente evolutivo cercano del sistema CRISPR-Cas12 y puede reconocer y cortar ADN específico bajo la guía de ARN guía. Su tamaño más compacto la hace, en teoría, más adecuada para introducirla en vehículos de administración con capacidad limitada y también podría facilitar la modificación genética de plantas. Sin embargo, estas enzimas deben sujetar el ARN, reconocer el ADN y completar cambios estructurales al mismo tiempo, por lo que una reescritura extensa de la secuencia suele alterar alguna de estas funciones.
Por ello, el equipo adoptó una estrategia de diseño restringido: partió de estructuras conocidas y utilizó el modelo ESM de plegamiento inverso de proteínas para proponer nuevas secuencias. Después, empleó la conservación de secuencias y la información de coevolución de la familia natural de TnpB para mantener fijos los aminoácidos potencialmente esenciales para la función. Las regiones de unión al ADN y al ARN guía se diseñaron por separado, y posteriormente se combinaron de forma cruzada los componentes candidatos más prometedores. Así se amplió la divergencia de las secuencias y, al mismo tiempo, se evitó que el modelo modificara libremente las interfaces de contacto fundamentales.
En un cribado de alto rendimiento en Escherichia coli, 466 de las 1.980 combinaciones diseñadas mostraron actividad detectable y alrededor del 8% superó a la enzima natural de referencia. Los diseños con mejor desempeño se probaron después en células humanas HEK293T y protoplastos de Arabidopsis thaliana. Según los resultados del estudio, dos versiones sintéticas alcanzaron eficiencias de edición del 46% y el 50%, respectivamente, en un gen de prueba en células humanas, frente al 28% de la TnpB natural. En algunos objetivos del genoma humano, el diseño más potente produjo una cantidad de edición cercana a cuatro veces la de la enzima natural y conservó los requisitos previstos de secuencia para el reconocimiento del objetivo.
La importancia de estos resultados no radica únicamente en ajustar una enzima natural para hacerla más rápida. La SynTnpB con mayor actividad compartía solo un 77% de identidad de secuencia con la proteína natural de referencia. Al calcularlas por separado, las regiones rediseñadas de interacción con el ADN y el ARN también presentaban únicamente un 83% y un 72% de identidad, respectivamente, con las secuencias naturales más cercanas correspondientes. Esto indica que el modelo encontró formas distintas de establecer contactos moleculares dentro del marco evolutivo, en lugar de limitarse a copiar proteínas existentes.
La microscopía crioelectrónica aportó una validación estructural adicional. La nucleasa sintética registrada en el Protein Data Bank contiene 408 aminoácidos, y la estructura de su complejo ARN-ADN se resolvió con una resolución de 2,80 Å. Los investigadores observaron que los aminoácidos diseñados formaban nuevas redes de contacto que ayudaban a estabilizar la interfaz entre el ARN y el ADN. También captaron una conformación de unión a TAM que se había planteado anteriormente, pero que no se había observado directamente de forma experimental, lo que explica cómo estas secuencias ampliamente reescritas aún pueden completar los cambios dinámicos necesarios para efectuar el corte.
No obstante, la evidencia actual sigue siendo una validación temprana del desarrollo de la herramienta. El estudio partió de una sola familia de TnpB, los experimentos en plantas utilizaron protoplastos y las pruebas en células humanas se limitaron a células cultivadas. Los resultados todavía no demuestran que este método pueda trasladarse de manera general a otras enzimas CRISPR, ni responden a cuestiones como la administración en animales, la edición fuera del objetivo, las respuestas inmunitarias, la seguridad a largo plazo y la eficacia en distintos tejidos. En este caso, la IA ya ha escrito nuevas moléculas funcionales, pero para que se conviertan en tratamientos o productos agrícolas aún deberán someterse a evaluaciones más completas de eficacia y riesgo.