CRISPR telah merevolusi ilmu pengetahuan. AI kini membawa editor gen ke tingkat berikutnya.

Berkat kemampuannya mengedit genom secara akurat, alat CRISPR kini banyak digunakan dalam bioteknologi dan pengobatan untuk mengatasi penyakit keturunan. Pada akhir tahun 2023, terapi menggunakan Pemenang Hadiah Nobel alat ini mendapat persetujuan dari FDA untuk mengobati penyakit sel sabit. CRISPR juga telah diaktifkan Terapi sel CAR T untuk melawan kanker dan sudah terbiasa menurunkan kadar kolesterol tinggi yang berbahaya dalam uji klinis.

Di luar pengobatan, alat CRISPR juga mengubah lanskap pertanian, dengan proyek yang sedang berlangsung untuk direkayasa sapi jantan yang tidak bertanduk, tomat kaya nutrisi, dan ternak dan ikan dengan lebih banyak massa otot.

Meskipun mempunyai dampak nyata, CRISPR tidaklah sempurna. Alat tersebut memotong kedua untai DNA, yang dapat menyebabkan mutasi berbahaya. Hal ini juga dapat secara tidak sengaja merusak area genom yang tidak diinginkan dan memicu efek samping yang tidak dapat diprediksi.

CRISPR pertama kali ditemukan pada bakteri sebagai mekanisme pertahanan, menunjukkan bahwa alam menyembunyikan banyak komponen CRISPR. Selama dekade terakhir, para ilmuwan telah menyaring berbagai lingkungan alam—misalnya, sampah kolam—untuk menemukan versi lain dari alat yang berpotensi meningkatkan kemanjuran dan presisinya. Meskipun berhasil, strategi ini bergantung pada apa yang ditawarkan alam. Beberapa manfaat, seperti ukuran tubuh yang lebih kecil atau umur panjang yang lebih panjang, sering kali disertai dengan konsekuensi seperti aktivitas atau presisi yang lebih rendah.

Daripada mengandalkan evolusi, dapatkah kita mempercepat alat CRISPR yang lebih baik dengan AI?

Minggu ini, Berlimpah, sebuah startup yang berbasis di California, menguraikan sebuah strategi yang menggunakan AI untuk menciptakan dunia baru editor gen CRISPR. Berdasarkan model bahasa besar—teknologi di balik ChatGPT yang populer—AI merancang beberapa komponen pengeditan gen baru.

Dalam sel manusia, komponen-komponennya disatukan untuk mengedit gen target dengan andal. Efisiensinya setara dengan CRISPR klasik, namun dengan presisi yang jauh lebih tinggi. Editor paling menjanjikan, yang dijuluki OpenCRISPR-1, juga dapat menukar satu huruf DNA secara tepat—sebuah teknologi yang disebut pengeditan dasar—dengan akurasi yang menyaingi alat yang ada saat ini.

“Kami mendemonstrasikan keberhasilan pengeditan genom manusia pertama di dunia menggunakan sistem pengeditan gen yang setiap komponennya dirancang sepenuhnya oleh AI,” menulis penulis dalam posting blog.

Pertandingan Dibuat di Surga

CRISPR dan AI telah menjalin hubungan asmara yang panjang.

Resep CRISPR memiliki dua bagian utama: protein Cas “gunting” yang memotong atau menorehkan genom dan pemandu RNA “anjing pelacak” yang menambatkan protein gunting ke gen target.

Dengan memvariasikan komponen-komponen ini, sistem menjadi sebuah kotak peralatan, dengan setiap pengaturan disesuaikan untuk melakukan jenis pengeditan gen tertentu. Beberapa protein Cas memotong kedua untai DNA; yang lain hanya memberikan satu helai potongan cepat. Versi alternatif juga dapat memotong RNA, sejenis materi genetik yang ditemukan pada virus, dan dapat digunakan sebagai alat diagnostik atau pengobatan antivirus.

Versi berbeda dari protein Cas sering kali ditemukan melalui penelusuran di lingkungan alami atau melalui proses yang disebut evolusi langsung. Di sini, para ilmuwan secara rasional menukar beberapa bagian protein Cas agar berpotensi meningkatkan kemanjuran.

Ini adalah proses yang sangat memakan waktu. Di sinilah AI berperan.

Pembelajaran mesin telah membantu memprediksi efek di luar target dalam alat CRISPR. Itu juga bertempat tinggal di pada protein Cas yang lebih kecil untuk membuat editor berukuran lebih kecil lebih mudah dikirim ke dalam sel.

Profluent menggunakan AI dengan cara baru: Daripada meningkatkan sistem yang ada, mereka merancang komponen CRISPR dari awal menggunakan model bahasa yang besar.

Berdasarkan ChatGPT dan DALL-E, model ini meluncurkan AI ke arus utama. Mereka belajar dari sejumlah besar teks, gambar, musik, dan data lainnya untuk menyaring pola dan konsep. Begitulah cara algoritme menghasilkan gambar dari satu teks—misalnya, “unicorn dengan kacamata hitam menari di atas pelangi”—atau meniru gaya musik artis tertentu.

Teknologi yang sama juga dimilikinya mengubah dunia desain protein. Seperti kata-kata dalam buku, protein dirangkai dari “huruf” molekul individu menjadi rantai, yang kemudian dilipat dengan cara tertentu untuk membuat protein tersebut bekerja. Dengan memasukkan rangkaian protein ke dalam AI, para ilmuwan telah melakukannya antibodi kuno dan lainnya protein fungsional yang tidak diketahui alam.

“Model bahasa protein generatif yang besar menangkap cetak biru mendasar tentang apa yang membuat protein alami berfungsi,” menulis tim di postingan blog. “Mereka menjanjikan jalan pintas untuk melewati proses acak evolusi dan menggerakkan kita untuk merancang protein dengan sengaja untuk tujuan tertentu.”

Apakah AI Memimpikan Domba CRISPR?

Semua model bahasa besar memerlukan data pelatihan. Hal yang sama juga berlaku untuk algoritma yang menghasilkan editor gen. Tidak seperti teks, gambar, atau video yang dapat dengan mudah diambil secara online, database CRISPR lebih sulit ditemukan.

Tim pertama-tama menyaring lebih dari 26 terabyte data tentang sistem CRISPR saat ini dan membangun atlas CRISPR-Cas—yang paling luas hingga saat ini, menurut para peneliti.

Pencarian mengungkapkan jutaan komponen CRISPR-Cas. Tim kemudian melatih mereka Model bahasa ProGen2—yang telah disesuaikan untuk penemuan protein—menggunakan atlas CRISPR.

AI akhirnya menghasilkan empat juta rangkaian protein dengan potensi aktivitas Cas. Setelah menyaring kegagalan yang nyata dengan program komputer lain, tim memusatkan perhatian pada dunia baru “gunting protein” Cas.

Algoritmenya tidak hanya menciptakan protein seperti Cas9. Protein Cas berasal dari keluarga, masing-masing memiliki keunikannya sendiri dalam kemampuan mengedit gen. AI juga merancang protein yang menyerupai Cas13, yang menargetkan RNA, dan Cas12a, yang lebih kompak daripada Cas9.

Secara keseluruhan, hasil ini memperluas potensi protein Cas hampir lima kali lipat. Tapi apakah ada yang berhasil?

Halo, Dunia CRISPR

Untuk pengujian selanjutnya, tim fokus pada Cas9, karena sudah banyak digunakan di bidang biomedis dan bidang lainnya. Mereka melatih AI pada sekitar 240,000 struktur protein Cas9 yang berbeda dari berbagai jenis hewan, dengan tujuan menghasilkan protein serupa untuk menggantikan protein alami—tetapi dengan kemanjuran atau presisi yang lebih tinggi.

Hasil awalnya mengejutkan: Urutan yang dihasilkan, sekitar satu juta di antaranya, sangat berbeda dari protein Cas9 alami. Namun dengan menggunakan AlphaFold2 milik DeepMind, sebuah AI prediksi struktur protein, tim menemukan bahwa rangkaian protein yang dihasilkan dapat mengadopsi bentuk yang serupa.

Protein Cas tidak dapat berfungsi tanpa panduan RNA anjing pelacak. Dengan atlas CRISPR-Cas, tim juga melatih AI untuk menghasilkan panduan RNA ketika diberikan urutan protein.

Hasilnya adalah editor gen CRISPR dengan kedua komponen—protein Cas dan panduan RNA—yang dirancang oleh AI. Dijuluki OpenCRISPR-1, aktivitas pengeditan gennya mirip dengan sistem CRISPR-Cas9 klasik ketika diuji pada sel ginjal manusia yang dikultur. Yang mengejutkan, versi yang dihasilkan AI memangkas pengeditan yang tidak sesuai target sekitar 95 persen.

Dengan beberapa penyesuaian, OpenCRISPR-1 juga dapat melakukan pengeditan dasar, yang dapat mengubah satu huruf DNA. Dibandingkan dengan CRISPR klasik, pengeditan dasar mungkin lebih tepat karena membatasi kerusakan pada genom. Dalam sel ginjal manusia, OpenCRISPR-1 secara andal mengkonversi satu huruf DNA ke huruf lainnya di tiga lokasi di seluruh genom, dengan tingkat pengeditan serupa dengan editor dasar saat ini.

Untuk lebih jelasnya, alat CRISPR yang dihasilkan AI hanya diuji pada sel di dalam piringan. Agar pengobatan bisa sampai ke klinik, mereka harus menjalani pengujian yang cermat untuk mengetahui keamanan dan kemanjurannya pada makhluk hidup, yang bisa memakan waktu lama.

Profluent secara terbuka membagikan OpenCRISPR-1 kepada para peneliti dan kelompok komersial, namun tetap mempertahankan AI yang menciptakan alat tersebut sendiri. “Kami merilis OpenCRISPR-1 secara publik untuk memfasilitasi penggunaan yang luas dan etis di seluruh penelitian dan aplikasi komersial,” tulis mereka.

Sebagai pracetak, makalah yang menjelaskan karya mereka belum dianalisis oleh pakar sejawat. Para ilmuwan juga harus menunjukkan OpenCRISPR-1 atau variannya bekerja pada banyak organisme, termasuk tumbuhan, tikus, dan manusia. Namun yang menggiurkan, hasil ini membuka jalan baru bagi AI generatif—yang dapat mengubah cetak biru genetik kita secara mendasar.

Gambar Kredit: Berlimpah

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/