生成式AI新突破！中國科學家開發GRAPE-LM技術，RNA適配體開發迎來新革命 | Nature子刊

核酸適配體（aptamer）由諾獎得主Jack Szostak命名，是一類短的單鏈DNA（ssDNA）或RNA寡核苷酸，能夠折疊形成特定三維結構，并以“結構分子”的方式高親和力結合蛋白或小分子，從而具備開發成為核酸藥物和診斷探針的潛力。然而，適配體發現長期依賴指數富集的配體系統進化技術（SELEX），通常需要多輪、強人工參與的篩選與優化；更關鍵的是，在體外簡化條件下獲得的適配體，親和力和特異性常常不高，限制了其開發成核酸藥物和探針的潛力。

中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所王宇課題組在既往工作中提出CRISmers（CRISPR/Cas-based aptamers screening system），將適配體篩選從溶液和細胞表面體系推進到細胞內環境，使篩選過程天然包含內源生物學機制，體現了內源折疊構象、相互作用特異性、充分的分子競爭等關鍵變量，從源頭提升生物學相關性。在CRISmers篩選體系中，每個細胞作為一個獨立的物理微單元，其作用類似于微流控液滴，能夠有效隔離不同分子間的交叉反應，從而顯著降低背景噪音。與此同時，該系統以細胞存活等表型變化作為功能性的篩選輸出方式，相較于傳統的體外親和力篩選，其功能相關性也同時得到了顯著提升。這些工作此前發表于Advanced Science和Advanced Healthcare Materials。

不過，胞內篩選不可避免面臨“遞送與細胞數量”帶來的通量上限：以CRISmers為代表的胞內篩選體系，文庫規模受轉染/遞送效率與細胞攝入能力限制，可能錯過大量潛在有效序列。也正是在這一瓶頸處，AI驅動的“數字進化”開始展現決定性價值。

2月6日，最新發表在Nature Biotechnology雜志上的一項工作中，王宇團隊進一步提出GRAPE-LM（Generator of RNA Aptamers Powered by activity-guided Evolution and Language Model），將“胞內篩選數據”與“核酸語言模型”耦合為一條端到端的一輪式高效進化路徑：模型以Transformer條件自編碼器為骨架，融合核酸語言模型，并由CRISmers在胞內環境產生的篩選數據提供“活性引導”，實現RNA適配體的一輪進化與生成。在GRAPE-LM中，活性引導機制將模型推向更高活性的方向，預訓練核酸語言模型用于提出合理的高質量候選序列。該框架在三類跨度顯著的靶標上完成驗證：人T細胞受體CD3ε、SARS-CoV-2刺突蛋白RBD，以及人源致癌轉錄因子c-Myc（胞內無序蛋白）。

更重要的是，GRAPE-LM將“實驗進化”從傳統的多輪循環，重構為“物理進化+數字優化”的兩階段：第一階段由CRISmers在細胞內完成一輪篩選，第二階段由語言模型在更大序列空間中進行數字化優化與外推；在三類靶標上，僅用“一輪”即可獲得優于既往SELEX 6–16輪所得到的適配體的先導序列。這種效率躍遷也體現在起始文庫需求上： CRISmers+GRAPE-LM路線可在約10^8規模的起始文庫上工作，而經典SELEX常需要10^14–10^16量級；換言之，前者僅需后者約百萬分之一到億分之一的初始文庫規模。

在CRISmers+GRAPE-LM的新范式中，CRISPR脫離了基因編輯的框架，在這里扮演的是“高保真胞內RNA數據發動機”，捕獲SELEX等體外方法難以復現的胞內內源生物學機制；而GRAPE-LM則通過外推有限起始文庫，補足CRISmers通量受限的短板，并且引導生成更高活性RNA適配體。

這一工作僅僅將CRISmers和GRAPE-LM兩個工具使用一次。面向未來，多輪迭代有望進一步提升分子質量和成藥性。此外，GRAPE-LM僅僅應用了語言模型，物理模型的加入有望實現生成能力的進一步加強。該技術路線也已成功用于多肽分子的高效發現，并與某知名藥企合作開展藥物開發（未發表結果）。

在與王宇的通訊中，領域開創者Jack Szostak評價CRISmers和GRAPE-LM的工作“非常有創造性，令人印象深刻”（“very creative and impressive”）。在論文審稿過程中，審稿人評價該工作“超級創新”（“super innovative”），并被編輯團隊選為亮點論文，邀請作者發表Research Briefing介紹論文成果和研究歷程。

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