لقد أحدثت تقنية كريسبر ثورة في العلوم. يقوم الذكاء الاصطناعي الآن بنقل محرر الجينات إلى المستوى التالي.
بفضل قدرتها على تحرير الجينوم بدقة، تُستخدم أدوات كريسبر الآن على نطاق واسع في التكنولوجيا الحيوية وفي الطب لمعالجة الأمراض الوراثية. في أواخر عام 2023، سيتم العلاج باستخدام الحائز على جائزة نوبل حصلت الأداة على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية لعلاج مرض فقر الدم المنجلي. تم تمكين كريسبر أيضًا العلاج بالخلايا التائية CAR T لمحاربة السرطان وتم استخدامه ل خفض مستويات الكولسترول المرتفعة بشكل خطير في التجارب السريرية.
خارج الطب، أدوات كريسبر هي كذلك تغيير المشهد الزراعي، مع المشاريع الجارية للهندسة ثيران بلا قرون, الطماطم الغنية بالمغذياتو الماشية والأسماك مع المزيد من كتلة العضلات.
على الرغم من تأثيرها في العالم الحقيقي، إلا أن تقنية كريسبر ليست مثالية. تقوم الأداة بقص شريطي الحمض النووي، مما قد يسبب طفرات خطيرة. كما أنه يمكن أن يؤدي عن غير قصد إلى تآكل مناطق غير مقصودة من الجينوم ويؤدي إلى آثار جانبية غير متوقعة.
تم اكتشاف كريسبر لأول مرة في البكتيريا كآلية دفاع، مما يشير إلى أن الطبيعة تخفي وفرة من مكونات كريسبر. على مدى العقد الماضي، قام العلماء بفحص بيئات طبيعية مختلفة - على سبيل المثال، حثالة البرك - للعثور على إصدارات أخرى من الأداة التي يمكن أن تزيد من فعاليتها ودقتها. وعلى الرغم من نجاح هذه الاستراتيجية، إلا أنها تعتمد على ما تقدمه الطبيعة. بعض الفوائد، مثل الحجم الأصغر أو طول العمر الأكبر في الجسم، غالبًا ما تأتي مع مقايضات مثل انخفاض النشاط أو الدقة.
بدلاً من الاعتماد على التطور، هل يمكننا تسريع أدوات كريسبر الأفضل باستخدام الذكاء الاصطناعي؟
هذا الأسبوع، غزير، شركة ناشئة مقرها في كاليفورنيا، الخطوط العريضة لاستراتيجية الذي يستخدم الذكاء الاصطناعي ليحلم بعالم جديد من محرري الجينات كريسبر. استنادًا إلى نماذج لغوية كبيرة - وهي التقنية التي تقف وراء ChatGPT الشهير - صمم الذكاء الاصطناعي العديد من مكونات تحرير الجينات الجديدة.
وفي الخلايا البشرية، تم دمج المكونات لتحرير الجينات المستهدفة بشكل موثوق. تطابقت الكفاءة مع تقنية كريسبر الكلاسيكية، ولكن بدقة أكبر بكثير. ويمكن للمحرر الواعد، والذي يُطلق عليه اسم OpenCRISPR-1، أن يستبدل بدقة حروف الحمض النووي المفردة - وهي تقنية تسمى التحرير الأساسي - بدقة تنافس الأدوات الحالية.
"إننا نعرض أول عملية تحرير ناجحة في العالم للجينوم البشري باستخدام نظام تحرير الجينات حيث يتم تصميم كل مكون بالكامل بواسطة الذكاء الاصطناعي." كتب المؤلفين في منشور مدونة.
تطابق صنع في الجنة
كانت هناك قصة حب طويلة بين كريسبر والذكاء الاصطناعي.
تتكون وصفة كريسبر من جزأين رئيسيين: بروتين كاس "المقصي" الذي يقطع الجينوم أو يخدشه، ودليل الحمض النووي الريبي "الكلاب الدموية" الذي يربط البروتين المقص بالجين المستهدف.
ومن خلال تغيير هذه المكونات، يصبح النظام عبارة عن صندوق أدوات، حيث يتم تصميم كل إعداد خصيصًا لإجراء نوع معين من تحرير الجينات. تقوم بعض بروتينات Cas بقطع شريطي الحمض النووي؛ والبعض الآخر يعطي خصلة واحدة فقط قصًا سريعًا. يمكن للإصدارات البديلة أيضًا قطع الحمض النووي الريبوزي (RNA)، وهو نوع من المواد الجينية الموجودة في الفيروسات، ويمكن استخدامها كأدوات تشخيصية أو علاجات مضادة للفيروسات.
غالبًا ما يتم العثور على إصدارات مختلفة من بروتينات Cas من خلال البحث في البيئات الطبيعية أو من خلال عملية تسمى التطور المباشر. هنا، يقوم العلماء باستبدال بعض أجزاء بروتين Cas بشكل عقلاني لتعزيز الفعالية.
إنها عملية تستغرق وقتا طويلا للغاية. وهنا يأتي دور الذكاء الاصطناعي.
لقد ساعد التعلم الآلي بالفعل التنبؤ بالتأثيرات غير المستهدفة في أدوات كريسبر. انها أيضا هوميد في على بروتينات Cas الأصغر حجمًا لتسهيل توصيل المحررات المصغرة إلى الخلايا.
استخدم Profluent الذكاء الاصطناعي بطريقة جديدة: فبدلاً من تعزيز الأنظمة الحالية، قاموا بتصميم مكونات CRISPR من الصفر باستخدام نماذج لغوية كبيرة.
على أساس ChatGPT وDALL-E، أطلقت هذه النماذج الذكاء الاصطناعي في الاتجاه السائد. ويتعلمون من كميات هائلة من النصوص والصور والموسيقى وغيرها من البيانات لاستخلاص الأنماط والمفاهيم. إنها الطريقة التي تولد بها الخوارزميات صورًا من رسالة نصية واحدة - على سبيل المثال، "وحيد القرن مع نظارة شمسية ترقص فوق قوس قزح" - أو تحاكي أسلوب الموسيقى لفنان معين.
نفس التكنولوجيا لديها أيضا حولت عالم تصميم البروتين. مثل الكلمات الموجودة في الكتاب، يتم ربط البروتينات من "حروف" جزيئية فردية إلى سلاسل، والتي يتم طيها بعد ذلك بطرق محددة لجعل البروتينات تعمل. ومن خلال تغذية تسلسلات البروتين في الذكاء الاصطناعي، فعل العلماء ذلك بالفعل الأجسام المضادة النموذجية وغيرها بروتينات وظيفية غير معروفة للطبيعة.
"إن نماذج لغة البروتين التوليدية الكبيرة تلتقط المخطط الأساسي لما يجعل البروتين الطبيعي فعالاً" كتب الفريق في منشور المدونة. "إنهم يعدون باختصار لتجاوز عملية التطور العشوائية وتحريكنا نحو تصميم بروتينات عمدًا لغرض محدد."
هل يحلم الذكاء الاصطناعي بأغنام كريسبر؟
تحتاج جميع نماذج اللغات الكبيرة إلى بيانات تدريبية. وينطبق الشيء نفسه على الخوارزمية التي تولد محررات الجينات. على عكس النصوص أو الصور أو مقاطع الفيديو التي يمكن استخراجها بسهولة عبر الإنترنت، من الصعب العثور على قاعدة بيانات كريسبر.
قام الفريق أولاً بفحص ما يزيد عن 26 تيرابايت من البيانات حول أنظمة كريسبر الحالية وقام ببناء أطلس كريسبر-كاس، وهو الأطلس الأكثر شمولاً حتى الآن، وفقًا للباحثين.
كشف البحث عن ملايين مكونات كريسبر-كاس. ثم قام الفريق بتدريبهم نموذج اللغة ProGen2- والذي تم ضبطه لاكتشاف البروتين - باستخدام أطلس كريسبر.
وفي نهاية المطاف، أنتج الذكاء الاصطناعي أربعة ملايين تسلسل بروتيني مع نشاط Cas محتمل. وبعد تصفية الأخطاء الواضحة باستخدام برنامج كمبيوتر آخر، ركز الفريق على عالم جديد من "مقص البروتين" Cas.
لم تحلم الخوارزمية فقط ببروتينات مثل Cas9. تأتي بروتينات Cas في عائلات، ولكل منها مميزاتها الخاصة في القدرة على تحرير الجينات. كما صمم الذكاء الاصطناعي بروتينات تشبه Cas13، الذي يستهدف الحمض النووي الريبي (RNA)، وCas12a، وهو أكثر إحكاما من Cas9.
بشكل عام، أدت النتائج إلى توسيع نطاق بروتينات Cas المحتملة بمقدار خمسة أضعاف تقريبًا. لكن هل يعمل أي منهم؟
مرحبًا، عالم كريسبر
بالنسبة للاختبار التالي، ركز الفريق على Cas9، لأنه يستخدم بالفعل على نطاق واسع في مجالات الطب الحيوي وغيرها من المجالات. وقاموا بتدريب الذكاء الاصطناعي على ما يقرب من 240,000 ألف بنية بروتين Cas9 مختلفة من أنواع متعددة من الحيوانات، بهدف توليد بروتينات مماثلة لتحل محل البروتينات الطبيعية، ولكن بكفاءة أو دقة أعلى.
وكانت النتائج الأولية مفاجئة: فالتسلسلات التي تم إنشاؤها، والتي يبلغ عددها مليونًا تقريبًا، كانت مختلفة تمامًا عن بروتينات Cas9 الطبيعية. ولكن باستخدام AlphaFold2 من DeepMind، وهو الذكاء الاصطناعي للتنبؤ ببنية البروتين، وجد الفريق أن تسلسلات البروتين الناتجة يمكن أن تتخذ أشكالًا مماثلة.
لا يمكن لبروتينات Cas أن تعمل بدون دليل RNA البوليسي. باستخدام أطلس CRISPR-Cas، قام الفريق أيضًا بتدريب الذكاء الاصطناعي على إنشاء دليل الحمض النووي الريبي (RNA) عند إعطائه تسلسل البروتين.
والنتيجة هي محرر الجينات CRISPR بكلا المكونين - بروتين Cas ودليل RNA - المصمم بواسطة الذكاء الاصطناعي. كان نشاط تحرير الجينات، الذي أُطلق عليه اسم OpenCRISPR-1، مشابهًا لأنظمة CRISPR-Cas9 الكلاسيكية عند اختباره في خلايا الكلى البشرية المستنبتة. والمثير للدهشة أن النسخة التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعي خفضت معدل التحرير خارج الهدف بنسبة 95 بالمائة تقريبًا.
ومن خلال بعض التعديلات، يمكن لـ OpenCRISPR-1 أيضًا إجراء تحرير أساسي، والذي يمكنه تغيير أحرف الحمض النووي الفردية. بالمقارنة مع تقنية كريسبر الكلاسيكية، من المرجح أن يكون تحرير القاعدة أكثر دقة لأنه يحد من الضرر الذي يلحق بالجينوم. في خلايا الكلى البشرية، قام OpenCRISPR-1 بتحويل حرف DNA إلى آخر بشكل موثوق في ثلاثة مواقع عبر الجينوم، مع معدل تحرير مماثل لمحررات القاعدة الحالية.
لكي نكون واضحين، تم اختبار أدوات كريسبر التي أنشأها الذكاء الاصطناعي فقط في الخلايا الموجودة في الطبق. لكي يصل العلاج إلى العيادة، سيحتاج إلى الخضوع لاختبارات دقيقة للسلامة والفعالية على الكائنات الحية، الأمر الذي قد يستغرق وقتًا طويلاً.
تقوم شركة Profluent بمشاركة OpenCRISPR-1 علنًا مع الباحثين والمجموعات التجارية، ولكنها تحتفظ بالذكاء الاصطناعي الذي أنشأ الأداة داخل الشركة. وكتبوا: "لقد أطلقنا OpenCRISPR-1 علنًا لتسهيل الاستخدام الأخلاقي الواسع عبر الأبحاث والتطبيقات التجارية".
باعتبارها نسخة أولية، لم يتم بعد تحليل الورقة التي تصف عملهم من قبل مراجعين أقران خبراء. سيتعين على العلماء أيضًا إثبات نجاح OpenCRISPR-1 أو متغيراته في كائنات متعددة، بما في ذلك النباتات والفئران والبشر. ولكن من المثير أن النتائج تفتح طريقًا جديدًا للذكاء الاصطناعي التوليدي، وهو طريق يمكن أن يغير مخططنا الجيني بشكل جذري.
الصورة الائتمان: غزير
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/
