基因编辑技术，特别是以CRISPR-Cas9为核心的体系，彻底改变了生命科学研究和医学应用。然而，依赖天然演化而来的蛋白质（如SpCas9）存在固有局限：功能优化空间受限，且复杂的专利格局阻碍了技术的广泛普及。尽管科学家们尝试通过定向进化或蛋白质工程进行改良，但这些传统方法通常需要精确的机制认知和结构指导，成效有限。

近期，人工智能（AI）在蛋白质设计领域的崛起为解决这些难题提供了全新路径。2025年7月30日，一项发表于《Nature》杂志的论文“Design of highly functional genome editorsby modelling CRISPR–Cas sequences”展示了这一方向的巨大潜力。来自美国Profluent公司的研究团队，在Ali Madani博士的领导下，成功利用AI大语言模型技术，设计并验证了名为OpenCRISPR-1的新型基因编辑器。这项工作标志着“人造”基因编辑工具开发的重要里程碑。

核心方法与突破

数据驱动的模型训练：研究团队首先构建了一个庞大的“CRISPR-Cas Atlas”数据库，整合了超过120万种天然CRISPR-Cas系统操纵子序列。基于此海量数据，他们对已有的蛋白质生成大语言模型（ProGen2）进行了针对性微调，使其专注于理解和生成具有CRISPR功能的蛋白质序列。

创造性的蛋白质设计：利用微调后的大语言模型，研究者生成了近百万种人工设计的、与天然Cas9功能类似的蛋白质（称为“类Cas9”蛋白）。这些设计蛋白展现出了惊人的序列多样性（整体与天然Cas9序列一致性仅约57%），其新颖程度堪比自然进化。

结构预测与功能潜力：先进的结构预测工具（如AlphaFold2）分析显示，超过80%的人工设计蛋白能形成稳定的、高置信度的三维结构。关键的是，这些结构普遍保留了Cas9执行基因编辑功能的核心结构域（如负责切割DNA的HNH和RuvC区域、识别靶点的PAM互作域及调控域），即使部分蛋白序列同源性低于40%。

OpenCRISPR-1脱颖而出：在实验验证阶段，研究者从数十万种候选设计中筛选了数百种进行细胞功能测试（主要在HEK293T细胞中进行）。其中，被命名为OpenCRISPR-1的设计蛋白表现尤为亮眼：

· 高效精准：在多个基因组位点上，其编辑效率与广泛使用的SpCas9相当，甚至更优。

· 脱靶率低：严格的脱靶检测（如SITE-Seq）证实，OpenCRISPR-1具有显著降低的非目标编辑活性，意味着更高的特异性。

· 序列独特：OpenCRISPR-1由1380个氨基酸组成，与SpCas9存在超过400个氨基酸位点的差异，也与任何已知天然蛋白明显不同（至少182个位点不同）。结构预测表明，这些差异主要位于蛋白表面或非关键界面。

· 兼容性强：研究者成功将OpenCRISPR-1与碱基脱氨酶融合，构建出功能性的碱基编辑器，证明了其作为编辑平台核心的实用性。

· 免疫原性低：初步数据显示其可能具有较低的免疫原性风险。

系统级设计：研究不仅限于编辑蛋白本身。团队还利用AI模型设计了适配这些新型类Cas9蛋白的引导RNA（sgRNA），其中数十种设计sgRNA的性能超越了标准sgRNA。此外，他们还应用类似策略对碱基编辑器的关键组分——碱基脱氨酶进行了成功的设计优化。

意义与前景

这项研究首次系统性地证明了基于大语言模型的AI设计，能够创造出性能可与天然明星蛋白比肩甚至更优的全新基因编辑工具。OpenCRISPR-1的成功开发是这一策略的有力例证。

突破专利壁垒：尤为关键的是，研究团队宣布OpenCRISPR-1将采取免费开源的方式提供。这为学术界和产业界绕过现有复杂的Cas9专利限制，推动基因编辑技术的更广泛、更自由的应用，开辟了一条极具吸引力的新路径。

开启设计新时代：该成果不仅提供了一种强大的新型基因编辑工具，更重要的是确立了一种“全链条”的AI蛋白质设计范式——从核心编辑酶（Cas9类似物）到功能配件（脱氨酶）再到引导元件（sgRNA）均可进行人工设计和优化。这为未来开发更多样化、功能更强大的下一代基因编辑技术奠定了坚实基础。

结论

人工智能驱动的蛋白质设计正以前所未有的速度重塑生物技术领域。OpenCRISPR-1的问世及其开源策略，是AI在解决基因编辑关键瓶颈（功能局限和专利障碍）上的重大实践成果。它不仅带来了一个高性能的新工具，更打开了一扇通向按需设计、功能定制化基因编辑系统的大门，预示着该领域即将迎来更深远的变革。

参考文献

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