CRISPR は科学に革命をもたらしました。 AI は現在、遺伝子エディターを次のレベルに引き上げています。
ゲノムを正確に編集できる機能のおかげで、CRISPR ツールは現在、遺伝性疾患に対処するためにバイオテクノロジーや医学全体で広く使用されています。 2023 年後半には、 ノーベル賞受賞 このツールは鎌状赤血球症を治療するために FDA から承認を得ました。 CRISPR も有効になりました がんと闘うためのCAR-T細胞療法 そして慣れていた 危険なほど高いコレステロール値を下げる 臨床試験で。
医療以外では、CRISPR ツールは次のとおりです。 農業景観を変える、エンジニアが進行中のプロジェクト 角のない雄牛, 栄養豊富なトマト, 家畜と魚 より多くの筋肉量で。
現実世界への影響にもかかわらず、CRISPR は完璧ではありません。このツールは DNA の両方の鎖を切断するため、危険な突然変異を引き起こす可能性があります。また、ゲノムの意図しない領域を誤って切り取って、予測できない副作用を引き起こす可能性もあります。
CRISPR は防御機構として細菌で最初に発見され、自然界には豊富な CRISPR 成分が隠されていることが示唆されています。過去 10 年間、科学者たちは、有効性と精度を向上させる可能性のあるツールの別のバージョンを見つけるために、池のカスなど、さまざまな自然環境をスクリーニングしてきました。この戦略は成功しますが、自然がもたらすものに依存します。体のサイズが小さくなったり、体内で長生きしたりするなどの利点は、多くの場合、活動性や精度の低下などのトレードオフを伴います。
進化に頼るのではなく、AI を使用してより優れた CRISPR ツールを迅速に開発できるでしょうか?
今週、 豊かな、カリフォルニアに拠点を置くスタートアップ、 戦略の概要を説明した AI を使用して、CRISPR 遺伝子エディターの新しい世界を夢想します。人気のある ChatGPT の背後にあるテクノロジーである大規模言語モデルに基づいて、AI はいくつかの新しい遺伝子編集コンポーネントを設計しました。
ヒトの細胞では、これらのコンポーネントが噛み合って、標的遺伝子を確実に編集します。効率は従来の CRISPR に匹敵しますが、精度ははるかに優れています。 OpenCRISPR-1 と呼ばれる最も有望なエディターは、現在のツールに匹敵する精度で単一の DNA 文字を正確に交換することもできます (塩基編集と呼ばれる技術)。
「私たちは、すべてのコンポーネントが AI によって完全に設計された遺伝子編集システムを使用して、ヒトゲノムの編集に世界で初めて成功したことを実証します。」 書いた ブログ投稿の著者。
天国のマッチ
CRISPR と AI には長いロマンスがありました。
CRISPR レシピには 2 つの主要な部分があります。ゲノムを切断または切り込む「シザー」 Cas タンパク質と、シザータンパク質を標的遺伝子に繋ぐ「ブラッドハウンド」 RNA ガイドです。
これらのコンポーネントを変更することで、システムはツールボックスになり、各セットアップは特定のタイプの遺伝子編集を実行するように調整されます。一部の Cas タンパク質は DNA の両方の鎖を切断します。 1本の束だけを簡単に切り取る人もいます。代替バージョンは、ウイルスに含まれる遺伝物質の一種であるRNAを切断することもでき、診断ツールや抗ウイルス治療として使用できます。
Cas タンパク質のさまざまなバージョンは、自然環境の探索や直接進化と呼ばれるプロセスを通じて発見されることがよくあります。ここでは、科学者が Cas タンパク質の一部を合理的に交換して、有効性を高める可能性があります。
これは非常に時間のかかるプロセスです。そこでAIが登場します。
機械学習はすでに役立っています オフターゲット効果を予測する CRISPR ツールで。も に住んでいる 小型化されたエディターを細胞に送達しやすくするために、より小さな Cas タンパク質を使用します。
Profluent は AI を斬新な方法で使用しました。現在のシステムを強化するのではなく、大規模な言語モデルを使用して CRISPR コンポーネントをゼロから設計しました。
ChatGPT と DALL-E の基礎となったこれらのモデルは、AI を主流に押し上げました。彼らは、大量のテキスト、画像、音楽、その他のデータから学習して、パターンや概念を抽出します。これは、アルゴリズムが単一のテキスト プロンプトから画像を生成する方法です (たとえば、「虹の上でサングラスをかけて踊るユニコーン」など)、または特定のアーティストの音楽スタイルを模倣する方法です。
同じテクノロジーはまた、 プロテインデザインの世界を変えた。本の言葉のように、タンパク質は個々の分子の「文字」から鎖につながれ、タンパク質が機能するように特定の方法で折り畳まれます。タンパク質配列を AI に入力することで、科学者はすでに 作られた抗体 およびその他の 自然界では未知の機能性タンパク質.
「大規模な生成タンパク質言語モデルは、天然タンパク質を機能させるものの基礎となる青写真を捉えます。」 書いた ブログ投稿のチーム。 「それらは、ランダムな進化のプロセスを回避し、特定の目的のためにタンパク質を意図的に設計する方向へ私たちを導く近道を約束します。」
AIはCRISPR羊の夢を見るか?
すべての大規模な言語モデルにはトレーニング データが必要です。遺伝子エディターを生成するアルゴリズムについても同じことが当てはまります。オンラインで簡単に収集できるテキスト、画像、ビデオとは異なり、CRISPR データベースは見つけるのが困難です。
研究者らによると、チームはまず現在のCRISPRシステムに関する26テラバイト以上のデータをスクリーニングし、これまでで最も広範なCRISPR-Casアトラスを構築した。
検索により、数百万の CRISPR-Cas コンポーネントが明らかになりました。その後、チームは彼らのトレーニングを行いました ProGen2 言語モデルこれは、CRISPR アトラスを使用してタンパク質発見用に微調整されました。
AI は最終的に、潜在的な Cas 活性を持つ 400 万個のタンパク質配列を生成しました。別のコンピューター プログラムで明らかなデッドビートを除外した後、チームは Cas の新しい世界「プロテイン シザーズ」に焦点を当てました。
このアルゴリズムは、Cas9 のようなタンパク質を思いついただけではありません。 Cas タンパク質にはファミリーがあり、それぞれが遺伝子編集能力に独自の特徴を持っています。 AIはまた、RNAを標的とするCas13と、Cas12よりもコンパクトなCas9aに似たタンパク質も設計した。
全体として、この結果により、潜在的な Cas タンパク質の世界が 5 倍近く拡大されました。しかし、それらのうちのどれかが機能するでしょうか?
こんにちは、CRISPR ワールド
次のテストでは、Cas9 がすでに生物医学やその他の分野で広く使用されているため、チームは Cas240,000 に焦点を当てました。彼らは、天然のものに代わる類似のタンパク質を生成することを目標に、複数の種類の動物から得た約 9 の異なる CasXNUMX タンパク質構造を対象に AI をトレーニングしましたが、より高い効率と精度を実現しました。
最初の結果は驚くべきものでした。生成された配列のうち約 9 万個は、天然の Cas2 タンパク質とはまったく異なっていました。しかし、タンパク質構造予測 AI である DeepMind の AlphaFoldXNUMX を使用すると、研究チームは、生成されたタンパク質配列が同様の形状をとる可能性があることを発見しました。
Casタンパク質は、ブラッドハウンドRNAガイドなしでは機能できません。研究チームは、CRISPR-Cas アトラスを使用して、タンパク質配列が与えられたときに RNA ガイドを生成するように AI を訓練しました。
その結果、AI によって設計された Cas タンパク質と RNA ガイドの両方のコンポーネントを備えた CRISPR 遺伝子エディターが完成しました。 OpenCRISPR-1 と呼ばれるその遺伝子編集活性は、培養ヒト腎臓細胞でテストしたところ、古典的な CRISPR-Cas9 システムと同様でした。驚くべきことに、AI によって生成されたバージョンでは、的を外れた編集が約 95% 削減されました。
OpenCRISPR-1 は、いくつかの調整を行うことで、単一の DNA 文字を変更できる塩基編集を実行することもできます。従来の CRISPR と比較して、塩基編集はゲノムへの損傷を制限するため、おそらくより正確です。ヒト腎臓細胞では、OpenCRISPR-1 はゲノム全体の XNUMX つの部位で、現在の塩基エディターと同様の編集速度で、ある DNA 文字を別の DNA 文字に確実に変換しました。
明確にしておきますが、AI によって生成された CRISPR ツールは、ディッシュ内の細胞でのみテストされています。治療法がクリニックに届けられるには、生物を対象とした安全性と有効性について慎重な検査を受ける必要があり、これには長い時間がかかる場合があります。
Profluent は OpenCRISPR-1 を研究者や商業グループと公然と共有していますが、ツールを作成した AI は社内に保管しています。 「私たちは、研究および商用アプリケーションにわたる広範で倫理的な使用を促進するために、OpenCRISPR-1を一般公開します」と彼らは書いている。
プレプリントとして、彼らの研究を説明した論文はまだ専門の査読者によって分析されていません。科学者はまた、OpenCRISPR-1 またはその変異体が植物、マウス、人間を含む複数の生物で機能することを証明する必要があります。しかし興味深いことに、この結果は生成 AI の新たな道を切り開き、私たちの遺伝子の青写真を根本的に変える可能性があります。
画像のクレジット： 豊かな
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- 情報源： https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/
