CRISPR חוללה מהפכה במדע. בינה מלאכותית לוקחת כעת את עורך הגנים לשלב הבא.
הודות ליכולתו לערוך במדויק את הגנום, כלי CRISPR נמצאים כיום בשימוש נרחב בביוטכנולוגיה ובכל הרפואה כדי להתמודד עם מחלות תורשתיות. בסוף 2023, טיפול באמצעות ה זוכה פרס נובל הכלי קיבל אישור מה-FDA לטיפול במחלת תאי חרמש. גם CRISPR הופעלה טיפול בתאי CAR T למלחמה בסרטן והיה רגיל להוריד רמות כולסטרול גבוהות בצורה מסוכנת בניסויים קליניים.
מחוץ לרפואה, כלי CRISPR הם שינוי הנוף החקלאי, עם פרויקטים מתמשכים להנדסה שוורים חסרי קרניים, עגבניות עשירות בחומרים מזינים, ו בעלי חיים ודגים עם יותר מסת שריר.
למרות ההשפעה שלו בעולם האמיתי, CRISPR אינו מושלם. הכלי חותך את שני גדילי ה-DNA, מה שעלול לגרום למוטציות מסוכנות. זה גם יכול לחתוך בשוגג אזורים לא מכוונים בגנום ולעורר תופעות לוואי בלתי צפויות.
CRISPR התגלה לראשונה בחיידקים כמנגנון הגנה, מה שמצביע על כך שהטבע מסתיר שפע של רכיבי CRISPR. בעשור האחרון, מדענים סקרו סביבות טבעיות שונות - למשל חלאות בריכות - כדי למצוא גרסאות אחרות של הכלי שעלולות להגביר את היעילות והדיוק שלו. למרות שהאסטרטגיה הזו מוצלחת, תלויה במה שיש לטבע להציע. יתרונות מסוימים, כמו גודל קטן יותר או אורך חיים רב יותר בגוף, מגיעים לרוב עם פשרות כמו פעילות נמוכה יותר או דיוק.
במקום להסתמך על אבולוציה, האם נוכל לעקוב במהירות אחר כלי CRISPR טובים יותר עם AI?
השבוע שופע, סטארטאפ שבסיסו בקליפורניה, התווה אסטרטגיה שמשתמש בבינה מלאכותית כדי לתכנן יקום חדש של עורכי גנים של CRISPR. בהתבסס על מודלים של שפות גדולות - הטכנולוגיה מאחורי ChatGPT הפופולרית - ה-AI עיצב מספר רכיבים חדשים לעריכת גנים.
בתאים אנושיים, הרכיבים התחברו לעריכה מהימנה של גנים ממוקדים. היעילות התאימה ל-CRISPR הקלאסי, אבל עם הרבה יותר דיוק. העורך המבטיח ביותר, שזכה לכינוי OpenCRISPR-1, יכול גם להחליף במדויק אותיות DNA בודדות - טכנולוגיה שנקראת עריכת בסיס - עם דיוק שמתחרה בכלים הנוכחיים.
"אנו מדגימים את העריכה המוצלחת הראשונה בעולם של הגנום האנושי באמצעות מערכת עריכת גנים שבה כל רכיב מתוכנן במלואו על ידי AI." כתב המחברים בפוסט בבלוג.
התאמה תוצרת גן עדן
CRISPR ובינה מלאכותית ניהלו רומן ארוך.
למתכון ה-CRISPR שני חלקים עיקריים: חלבון Cas "מספריים" שחותך או חותך את הגנום ומדריך RNA של "כלב דם" שקושר את החלבון המספריים לגן המטרה.
על ידי שינוי רכיבים אלה, המערכת הופכת לארגז כלים, כאשר כל הגדרה מותאמת לביצוע סוג מסוים של עריכת גנים. חלק מחלבוני Cas חותכים את שני גדילי ה-DNA; אחרים נותנים רק גדיל אחד לחתוך מהיר. גרסאות חלופיות יכולות גם לחתוך RNA, סוג של חומר גנטי המצוי בנגיפים, וניתן להשתמש בהם ככלי אבחון או טיפולים אנטי-ויראליים.
גרסאות שונות של חלבוני Cas נמצאות לרוב על ידי חיפוש סביבות טבעיות או באמצעות תהליך הנקרא אבולוציה ישירה. כאן, המדען מחליף באופן רציונלי חלקים של חלבון Cas כדי להגביר את היעילות.
זה תהליך שלוקח זמן רב. וזה המקום שבו AI נכנס לתמונה.
למידת מכונה כבר עזרה לחזות השפעות מחוץ למטרה בכלי CRISPR. זה גם התמקם ב על חלבוני Cas קטנים יותר כדי להפוך עורכים מוקטנים לקלים יותר להעברתם לתאים.
Profluent השתמש בבינה מלאכותית בצורה חדשה: במקום להגביר את המערכות הנוכחיות, הם תכננו רכיבי CRISPR מאפס תוך שימוש במודלים של שפות גדולות.
הבסיס של ChatGPT ו-DALL-E, מודלים אלה השיקו AI למיינסטרים. הם לומדים מכמויות אדירות של טקסט, תמונות, מוזיקה ונתונים אחרים כדי לזקק דפוסים ומושגים. זה האופן שבו האלגוריתמים יוצרים תמונות מהנחיית טקסט בודדת - נגיד, "חד קרן עם משקפי שמש רוקד מעל קשת בענן" - או מחקים את סגנון המוזיקה של אמן נתון.
לאותה טכנולוגיה יש גם שינה את עולם עיצוב החלבון. כמו מילים בספר, חלבונים נמתחים מ"אותיות" מולקולריות בודדות לשרשראות, שלאחר מכן מתקפלות בדרכים ספציפיות כדי לגרום לחלבונים לעבוד. על ידי הזנת רצפי חלבון לתוך AI, מדענים כבר עשו זאת נוגדנים מעוצבים ואחר חלבונים פונקציונליים שאינם ידועים לטבע.
"מודלים של שפות חלבון יצירתיות גדולות לוכדים את התוכנית הבסיסית של מה שהופך חלבון טבעי לתפקודי," כתב הצוות בפוסט בבלוג. "הם מבטיחים קיצור דרך לעקוף את התהליך האקראי של האבולוציה ולקדם אותנו לתכנון מכוון של חלבונים למטרה מסוימת".
האם AIs חולם על CRISPR Sheep?
כל דגמי השפה הגדולים זקוקים לנתוני הדרכה. הדבר נכון גם לגבי אלגוריתם שיוצר עורכי גנים. שלא כמו טקסט, תמונות או סרטונים שניתן לגרד בקלות באינטרנט, מסד נתונים של CRISPR קשה יותר למצוא.
הצוות סנן לראשונה מעל 26 טרה-בייט של נתונים על מערכות CRISPR נוכחיות ובנה אטלס CRISPR-Cas - הנרחב ביותר עד כה, על פי החוקרים.
החיפוש חשף מיליוני רכיבי CRISPR-Cas. לאחר מכן הצוות אימן את שלהם מודל שפה ProGen2- אשר היה מכוון לגילוי חלבון - באמצעות אטלס CRISPR.
ה-AI יצר בסופו של דבר ארבעה מיליון רצפי חלבון עם פעילות Cas פוטנציאלית. לאחר סינון פעימות ברורות עם תוכנת מחשב אחרת, הצוות התעמק ביקום חדש של "מספרי חלבון" של Cas.
האלגוריתם לא רק העלה חלבונים כמו Cas9. חלבוני קאס מגיעים במשפחות, שלכל אחד יש את המוזרויות שלו ביכולת עריכת גנים. ה-AI עיצב גם חלבונים הדומים ל-Cas13, המכוון ל-RNA, ול-Cas12a, שהוא קומפקטי יותר מ-Cas9.
בסך הכל, התוצאות הרחיבו את היקום של חלבוני Cas פוטנציאליים כמעט פי חמישה. אבל האם מישהו מהם עובד?
שלום, עולם CRISPR
בבדיקה הבאה, הצוות התמקד ב-Cas9, מכיוון שהוא כבר נמצא בשימוש נרחב בתחומים ביו-רפואיים ואחרים. הם אימנו את הבינה המלאכותית על בערך 240,000 מבני חלבון Cas9 שונים ממספר סוגים של בעלי חיים, במטרה לייצר חלבונים דומים כדי להחליף חלבונים טבעיים - אבל ביעילות או דיוק גבוהים יותר.
התוצאות הראשוניות היו מפתיעות: הרצפים שנוצרו, בערך מיליון מהם, היו שונים לחלוטין מחלבוני Cas9 טבעיים. אבל באמצעות AlphaFold2 של DeepMind, AI חיזוי מבנה חלבון, הצוות מצא שרצפי החלבון שנוצרו יכולים לאמץ צורות דומות.
חלבוני קאס לא יכולים לתפקד ללא מדריך RNA של כלבי דם. עם אטלס CRISPR-Cas, הצוות גם אימן בינה מלאכותית ליצור מדריך RNA כאשר ניתן רצף חלבונים.
התוצאה היא עורך גנים של CRISPR עם שני הרכיבים - חלבון Cas ומדריך RNA - שתוכנן על ידי AI. המכונה OpenCRISPR-1, פעילות עריכת הגנים שלו הייתה דומה למערכות CRISPR-Cas9 הקלאסיות כאשר נבדקה בתאי כליה אנושיים מתורבתים. באופן מפתיע, גרסת הבינה המלאכותית הקיצצה עריכה מחוץ ליעד בכ-95 אחוזים.
עם כמה שינויים, OpenCRISPR-1 יכול גם לבצע עריכת בסיס, שיכולה לשנות אותיות DNA בודדות. בהשוואה ל-CRISPR הקלאסי, סביר להניח שעריכת בסיס מדויקת יותר מכיוון שהיא מגבילה את הנזק לגנום. בתאי כליה אנושיים, OpenCRISPR-1 המיר באופן מהימן אות DNA אחת לאחרת בשלושה אתרים ברחבי הגנום, עם קצב עריכה דומה לעורכי הבסיס הנוכחיים.
כדי להיות ברור, כלי CRISPR שנוצרו על ידי AI נבדקו רק בתאים בצלחת. כדי שטיפולים יגיעו למרפאה, הם יצטרכו לעבור בדיקות קפדניות לגבי בטיחות ויעילות ביצורים חיים, דבר שעלול להימשך זמן רב.
Profluent חולקת בגלוי את OpenCRISPR-1 עם חוקרים וקבוצות מסחריות, אך שומרת על ה-AI שיצר את הכלי בבית. "אנו משחררים את OpenCRISPR-1 בפומבי כדי להקל על שימוש רחב ואתי על פני מחקר ויישומים מסחריים", הם כתבו.
בתור הדפסה מוקדמת, המאמר המתאר את עבודתם טרם נותח על ידי סוקרים עמיתים מומחים. מדענים יצטרכו גם להראות ש-OpenCRISPR-1 או גרסאות פועלות במספר אורגניזמים, כולל צמחים, עכברים ובני אדם. אבל באופן מגרה, התוצאות פותחות שדרה חדשה לבינה מלאכותית יצירתית - כזו שיכולה לשנות מהותית את התוכנית הגנטית שלנו.
תמונת אשראי: שופע
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/
