CRISPR on teaduses revolutsiooni teinud. AI viib nüüd geeniredaktori järgmisele tasemele.

Tänu oma võimele genoomi täpselt redigeerida, kasutatakse CRISPR-i tööriistu nüüd laialdaselt biotehnoloogias ja kogu meditsiinis pärilike haiguste vastu võitlemiseks. 2023. aasta lõpus teraapia, milles kasutati Nobeli preemia laureaat tööriist sai FDA-lt heakskiidu sirprakulise haiguse raviks. CRISPR on samuti lubanud CAR T-rakuteraapia vähi vastu võitlemiseks ja harjunud alandada ohtlikult kõrget kolesteroolitaset kliinilistes uuringutes.

Väljaspool meditsiini on CRISPR-i tööriistad põllumajandusmaastiku muutmine, mille projekteerimine on pooleli sarvedeta pullid, toitainerikkad tomatidja kariloomad ja kalad suurema lihasmassiga.

Vaatamata oma tegelikule mõjule pole CRISPR täiuslik. Tööriist lõikab ära mõlemad DNA ahelad, mis võib põhjustada ohtlikke mutatsioone. Samuti võib see kogemata nippida genoomi tahtmatuid piirkondi ja vallandada ettearvamatud kõrvalmõjud.

CRISPR avastati esmakordselt bakterites kaitsemehhanismina, mis viitab sellele, et loodus peidab endas hulgaliselt CRISPRi komponente. Viimase kümnendi jooksul on teadlased uurinud erinevaid looduslikke keskkondi, näiteks tiigi saast, et leida tööriista muid versioone, mis võiksid suurendada selle tõhusust ja täpsust. Kuigi see strateegia on edukas, sõltub see sellest, mida loodusel on pakkuda. Mõned eelised, nagu keha väiksem suurus või pikem eluiga, kaasnevad sageli kompromissidega, nagu väiksem aktiivsus või täpsus.

Kas saame tehisintellektiga paremaid CRISPR-i tööriistu kiirendada, selle asemel, et tugineda evolutsioonile?

Sellel nädalal Vallas, Californias asuv idufirma, visandas strateegia mis kasutab tehisintellekti uue CRISPR-i geeniredaktorite universumi loomiseks. Tuginedes suurtele keelemudelitele – populaarse ChatGPT tehnoloogiale – kavandas tehisintellekt mitmeid uusi geenide redigeerimise komponente.

Inimese rakkudes ühenduvad komponendid sihtgeenide usaldusväärseks muutmiseks. Tõhusus vastas klassikalisele CRISPR-ile, kuid palju täpsusega. Kõige lootustandvam redaktor, nimega OpenCRISPR-1, võiks samuti täpselt välja vahetada üksikuid DNA tähti – tehnoloogiat, mida nimetatakse baasredigeerimiseks – täpsusega, mis konkureerib praeguste tööriistadega.

"Me demonstreerime maailma esimest edukat inimgenoomi redigeerimist, kasutades geenide redigeerimissüsteemi, kus kõik komponendid on täielikult välja töötatud AI poolt." kirjutas autorid blogipostituses.

Matš tehtud taevas

CRISPR-il ja tehisintellektil on olnud pikk romantika.

CRISPR-i retseptil on kaks peamist osa: "kääriline" Cas-valk, mis lõikab või lõikab genoomi, ja "verekoera" RNA juht, mis seob käärvalgu sihtgeeni külge.

Neid komponente muutes muutub süsteem tööriistakastiks, kus iga seadistus on kohandatud teatud tüüpi geenide redigeerimiseks. Mõned Cas-valgud lõikavad läbi DNA mõlemad ahelad; teised lõikavad kiiresti vaid ühe haru. Alternatiivsed versioonid võivad lõigata ka RNA-d, teatud tüüpi viirustes leiduvat geneetilist materjali, ja neid saab kasutada diagnostikavahendite või viirusevastase ravina.

Cas-valkude erinevaid versioone leitakse sageli looduslikust keskkonnast otsides või protsessi kaudu, mida nimetatakse otseseks evolutsiooniks. Siin vahetavad teadlased mõistlikult välja mõned Cas-valgu osad, et tõhusust potentsiaalselt suurendada.

See on väga aeganõudev protsess. See on koht, kus AI tuleb sisse.

Masinõpe on juba aidanud ennustada sihtmärgiväliseid mõjusid CRISPR-i tööriistades. See on ka sisse majutatud väiksematel Cas-valkudel, et muuta vähendatud redaktorite rakkudesse tarnimine lihtsamaks.

Profluents kasutas tehisintellekti uudsel viisil: praeguste süsteemide turgutamise asemel kavandasid nad CRISPR-i komponente nullist, kasutades suuri keelemudeleid.

ChatGPT ja DALL-E aluseks olevad mudelid tõid AI peavoolu. Nad õpivad suure hulga teksti, piltide, muusika ja muude andmete põhjal mustrite ja kontseptsioonide destilleerimiseks. Nii genereerivad algoritmid pilte ühest tekstiviipast – näiteks „ükssarvik päikeseprillidega, kes tantsivad vikerkaare kohal” – või jäljendavad antud artisti muusikastiili.

Sama tehnoloogia on ka muutis valgu disainimaailma. Nagu sõnad raamatus, on valgud üksikutest molekulaarsetest "tähtedest" ahelateks, mis seejärel volditakse teatud viisil, et valgud toimiksid. Valgujärjestusi tehisintellektile söötmisega on teadlased juba teinud moodustunud antikehad ja muud loodusele tundmatud funktsionaalsed valgud.

"Suured generatiivsed valgukeele mudelid kajastavad loodusliku valgu funktsionaalseks muutmise aluseks olevat kavandit." kirjutas meeskond blogipostituses. "Nad lubavad otseteed juhuslikust evolutsiooniprotsessist mööda hiilida ja suunata meid valkude tahtliku kavandamise suunas kindlal eesmärgil."

Kas AI unistab CRISPR-lammastest?

Kõik suured keelemudelid vajavad koolitusandmeid. Sama kehtib ka geeniredaktoreid genereeriva algoritmi kohta. Erinevalt tekstist, piltidest või videotest, mida saab hõlpsalt võrgus kraapida, on CRISPR-i andmebaasi raskem leida.

Meeskond kontrollis esmalt üle 26 terabaidi andmeid praeguste CRISPR-süsteemide kohta ja koostas CRISPR-Cas atlase, mis on teadlaste sõnul seni kõige ulatuslikum.

Otsing näitas miljoneid CRISPR-Casi komponente. Seejärel treenis meeskond oma ProGen2 keelemudelmis oli valgu avastamiseks peenhäälestatud, kasutades CRISPRi atlast.

AI genereeris lõpuks neli miljonit potentsiaalse Cas-i aktiivsusega valgujärjestust. Pärast ilmselgete surnud löökide väljafiltreerimist mõne teise arvutiprogrammiga nullis meeskond Casi "valgukääride" uue universumi.

Algoritm ei unistanud ainult selliseid valke nagu Cas9. Cas-valgud on perekondades, millest igaühel on geenide redigeerimise võime omad veidrused. AI kavandas ka valgud, mis sarnanevad Cas13-ga, mis on suunatud RNA-le, ja Cas12a-d, mis on kompaktsem kui Cas9.

Üldiselt laiendasid tulemused potentsiaalsete Cas-valkude universumit peaaegu viis korda. Aga kas mõni neist töötab?

Tere, CRISPR World

Järgmise testi jaoks keskendus meeskond Cas9-le, kuna seda kasutatakse juba laialdaselt biomeditsiinis ja muudes valdkondades. Nad koolitasid tehisintellekti umbes 240,000 9 erinevat tüüpi loomade CasXNUMX valgu struktuuriga, eesmärgiga luua sarnaseid valke, mis asendaksid looduslikke valke, kuid suurema tõhususe või täpsusega.

Esialgsed tulemused olid üllatavad: loodud järjestused, umbes miljon neist, olid täiesti erinevad looduslikest Cas9 valkudest. Kuid kasutades DeepMindi AlphaFold2, valgu struktuuri ennustavat AI-d, leidis meeskond, et loodud valgujärjestused võivad võtta sarnase kuju.

Cas-valgud ei saa toimida ilma verekoera RNA juhendita. CRISPR-Cas atlase abil koolitas meeskond ka AI-d, et luua valgujärjestuse korral RNA juhend.

Tulemuseks on CRISPR-i geeniredaktor, millel on mõlemad komponendid – Cas-valgu ja RNA juhis –, mille on välja töötanud AI. Nimetatud OpenCRISPR-1 geenide redigeerimise aktiivsus sarnanes klassikaliste CRISPR-Cas9 süsteemidega, kui seda testiti kultiveeritud inimese neerurakkudes. Üllataval kombel vähendas AI-ga loodud versioon sihtmärgist kõrvalekaldumist umbes 95 protsenti.

Mõne näpunäite abil saaks OpenCRISPR-1 teostada ka baasredigeerimist, mis võib muuta üksikuid DNA tähti. Võrreldes klassikalise CRISPR-iga on baasi redigeerimine tõenäoliselt täpsem, kuna see piirab genoomi kahjustamist. Inimese neerurakkudes muutis OpenCRISPR-1 usaldusväärselt ühe DNA tähe teiseks genoomis kolmes kohas, redigeerimiskiirusega sarnane praeguste põhiredaktorite omaga.

Selguse huvides on AI-ga loodud CRISPR-tööriistu testitud ainult tassi rakkudes. Et ravi jõuaks kliinikusse, peavad nad elusolendite puhul läbima hoolika ohutuse ja tõhususe testimise, mis võib võtta kaua aega.

Profluent jagab OpenCRISPR-1 avalikult teadlaste ja ärigruppidega, kuid hoiab tööriista loonud tehisintellekti majasiseselt. "Avaldame OpenCRISPR-1 avalikult, et hõlbustada laiaulatuslikku ja eetilist kasutamist teadusuuringutes ja kommertsrakendustes," kirjutasid nad.

Eeltrükina peavad nende tööd kirjeldavad paberit veel analüüsima eksperthinnangud. Samuti peavad teadlased näitama, et OpenCRISPR-1 või selle variandid töötavad paljudes organismides, sealhulgas taimedes, hiirtes ja inimestes. Kuid ahvatlevalt avavad tulemused uue tee generatiivsele AI-le – sellisele, mis võib meie geneetilist plaani põhjalikult muuta.

Image Credit: Vallas

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/