CRISPR는 과학에 혁명을 일으켰습니다. AI는 이제 유전자 편집기를 다음 단계로 끌어올리고 있습니다.

게놈을 정확하게 편집하는 능력 덕분에 CRISPR 도구는 이제 유전병을 해결하기 위해 생명공학 및 의학 전반에 널리 사용됩니다. 2023년 말에는 노벨상 수상 도구는 겸상 적혈구 질환을 치료하기 위해 FDA로부터 승인을 받았습니다. CRISPR도 활성화되었습니다. 암과 싸우는 CAR T 세포 치료법 그리고 익숙해졌어 위험할 정도로 높은 콜레스테롤 수치를 낮추다 임상 시험에서.

의학 이외의 CRISPR 도구는 농업 지형을 바꾸다, 엔지니어를 위한 프로젝트가 진행 중입니다. 뿔없는 황소, 영양이 풍부한 토마토및 가축과 물고기 더 많은 근육량으로.

실제 세계에 미치는 영향에도 불구하고 CRISPR는 완벽하지 않습니다. 이 도구는 위험한 돌연변이를 일으킬 수 있는 DNA의 두 가닥을 모두 잘라냅니다. 또한 게놈의 의도하지 않은 영역을 실수로 잘라내어 예측할 수 없는 부작용을 유발할 수도 있습니다.

CRISPR는 방어 메커니즘으로 박테리아에서 처음 발견되었으며, 이는 자연이 풍부한 CRISPR 구성 요소를 숨기고 있음을 시사합니다. 지난 10년 동안 과학자들은 잠재적으로 효율성과 정확성을 높일 수 있는 다른 버전의 도구를 찾기 위해 연못 쓰레기와 같은 다양한 자연 환경을 조사해 왔습니다. 성공하더라도 이 전략은 자연이 제공하는 것에 따라 달라집니다. 신체의 크기가 작거나 수명이 길어지는 것과 같은 일부 이점은 종종 낮은 활동성이나 정밀도와 같은 상충 관계를 수반합니다.

진화에 의존하는 대신 AI를 통해 더 나은 CRISPR 도구를 빠르게 추적할 수 있습니까?

이번 주, 풍부함, 캘리포니아에 본사를 둔 스타트업, 전략을 개괄했다 AI를 사용하여 CRISPR 유전자 편집자의 새로운 세계를 꿈꾸는 것입니다. 인기 있는 ChatGPT의 기반이 되는 기술인 대규모 언어 모델을 기반으로 AI는 몇 가지 새로운 유전자 편집 구성 요소를 설계했습니다.

인간 세포에서는 구성 요소가 서로 맞물려 표적 유전자를 안정적으로 편집합니다. 효율성은 기존 CRISPR와 비슷하지만 훨씬 더 정확합니다. OpenCRISPR-1이라고 불리는 가장 유망한 편집기는 현재 도구에 필적하는 정확도로 단일 DNA 문자(기본 편집이라는 기술)를 정확하게 교환할 수도 있습니다.

“우리는 모든 구성 요소가 AI에 의해 완전히 설계되는 유전자 편집 시스템을 사용하여 세계 최초로 인간 게놈의 성공적인 편집을 시연합니다.” 쓴 블로그 게시물의 작성자.

천생연분

CRISPR와 AI는 오랜 로맨스를 이어왔습니다.

CRISPR 레시피는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 게놈을 자르거나 흠집을 내는 "가위" Cas 단백질과 가위 단백질을 표적 유전자에 연결하는 "블러드하운드" RNA 가이드입니다.

이러한 구성 요소를 변경함으로써 시스템은 특정 유형의 유전자 편집을 수행하도록 맞춤화된 각 설정을 갖춘 도구 상자가 됩니다. 일부 Cas 단백질은 DNA의 두 가닥을 모두 절단합니다. 다른 사람들은 한 가닥만 빠르게 잘라냅니다. 대체 버전은 또한 바이러스에서 발견되는 유전 물질의 일종인 RNA를 절단할 수 있으며 진단 도구 또는 항바이러스 치료로 사용될 수 있습니다.

다양한 버전의 Cas 단백질은 자연 환경을 검색하거나 직접 진화라는 과정을 통해 발견되는 경우가 많습니다. 여기에서 과학자는 잠재적으로 효능을 높이기 위해 Cas 단백질의 일부를 합리적으로 교체합니다.

시간이 많이 걸리는 과정입니다. AI가 등장하는 곳입니다.

머신러닝이 이미 도움이 되었습니다 오프 타겟 효과 예측 CRISPR 도구에서. 그것은 또한 집에 소형 Cas 단백질을 사용하여 소형 편집자가 세포에 더 쉽게 전달할 수 있도록 합니다.

Profluent는 AI를 새로운 방식으로 사용했습니다. 현재 시스템을 강화하는 대신 대규모 언어 모델을 사용하여 CRISPR 구성 요소를 처음부터 설계했습니다.

ChatGPT 및 DALL-E의 기반이 되는 이 모델은 AI를 주류로 도입했습니다. 그들은 방대한 양의 텍스트, 이미지, 음악 및 기타 데이터로부터 학습하여 패턴과 개념을 추출합니다. 이는 알고리즘이 단일 텍스트 프롬프트(예: "무지개 위에서 춤추는 선글라스를 낀 유니콘")에서 이미지를 생성하거나 특정 아티스트의 음악 스타일을 모방하는 방식입니다.

동일한 기술도 있습니다. 단백질 디자인 세계를 변화시켰습니다. 책에 나오는 단어처럼 단백질은 개별 분자 "문자"에서 사슬로 엮인 다음 특정 방식으로 접혀 단백질이 작동하도록 합니다. 과학자들은 AI에 단백질 서열을 공급함으로써 이미 구식 항체 및 기타 자연에 알려지지 않은 기능성 단백질.

"대규모 생성 단백질 언어 모델은 천연 단백질을 기능적으로 만드는 기본 청사진을 포착합니다." 쓴 블로그 게시물의 팀. "그들은 진화의 무작위 과정을 우회하고 특정 목적을 위해 의도적으로 단백질을 설계하는 방향으로 나아가는 지름길을 약속합니다."

AI는 CRISPR 양의 꿈을 꾸는가?

모든 대규모 언어 모델에는 훈련 데이터가 필요합니다. 유전자 편집자를 생성하는 알고리즘의 경우에도 마찬가지입니다. 온라인에서 쉽게 스크랩할 수 있는 텍스트, 이미지, 동영상과 달리 CRISPR 데이터베이스는 찾기가 더 어렵습니다.

연구원에 따르면 팀은 먼저 현재 CRISPR 시스템에 대한 26테라바이트 이상의 데이터를 선별하고 현재까지 가장 광범위한 CRISPR-Cas 지도책을 구축했습니다.

검색 결과 수백만 개의 CRISPR-Cas 구성요소가 밝혀졌습니다. 그런 다음 팀은 교육을 받았습니다. ProGen2 언어 모델-CRISPR 아틀라스를 사용하여 단백질 발견을 위해 미세 조정되었습니다.

AI는 결국 잠재적인 Cas 활성을 지닌 400만 개의 단백질 서열을 생성했습니다. 다른 컴퓨터 프로그램을 사용하여 명백한 데드비트를 필터링한 후 팀은 Cas "단백질 가위"의 새로운 세계에 초점을 맞췄습니다.

알고리즘은 단지 Cas9와 같은 단백질을 꿈꾸는 것이 아닙니다. Cas 단백질은 가족 단위로 구성되며, 각각 유전자 편집 능력에 있어 고유한 특성을 가지고 있습니다. AI는 또한 RNA를 표적으로 하는 Cas13과 Cas12보다 더 컴팩트한 Cas9a와 유사한 단백질을 설계했습니다.

전반적으로, 그 결과는 잠재적인 Cas 단백질의 세계를 거의 5배 확장했습니다. 하지만 그 중 작동하는 것이 있나요?

안녕하세요, CRISPR 월드입니다.

다음 테스트에서 팀은 Cas9에 중점을 두었습니다. Cas240,000은 이미 생물 의학 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있기 때문입니다. 그들은 천연 단백질을 대체하기 위해 유사한 단백질을 생성하는 것을 목표로 다양한 유형의 동물로부터 약 9개의 서로 다른 CasXNUMX 단백질 구조에 대해 AI를 훈련시켰지만 더 높은 효율성이나 정밀도를 제공했습니다.

초기 결과는 놀라웠습니다. 생성된 서열(약 백만 개)은 천연 Cas9 단백질과 완전히 달랐습니다. 그러나 연구팀은 단백질 구조 예측 AI인 DeepMind의 AlphaFold2를 사용하여 생성된 단백질 서열이 유사한 모양을 채택할 수 있음을 발견했습니다.

Cas 단백질은 블러드하운드 RNA 가이드 없이는 기능할 수 없습니다. CRISPR-Cas 아틀라스를 통해 팀은 또한 단백질 서열이 주어지면 RNA 가이드를 생성하도록 AI를 훈련시켰습니다.

그 결과 AI가 설계한 Cas 단백질과 RNA 가이드라는 두 가지 구성 요소가 모두 포함된 CRISPR 유전자 편집기가 탄생했습니다. OpenCRISPR-1이라고 불리는 이 유전자 편집 활성은 배양된 인간 신장 세포에서 테스트했을 때 기존 CRISPR-Cas9 시스템과 유사했습니다. 놀랍게도 AI 생성 버전은 목표를 벗어난 편집을 약 95% 줄였습니다.

몇 가지 조정을 통해 OpenCRISPR-1은 단일 DNA 문자를 변경할 수 있는 기본 편집도 수행할 수 있습니다. 기존 CRISPR에 비해 염기 편집은 게놈 손상을 제한하므로 더 정확할 가능성이 높습니다. 인간 신장 세포에서 OpenCRISPR-1은 게놈 전체의 세 위치에서 하나의 DNA 문자를 다른 문자로 안정적으로 변환했으며, 편집 속도는 현재 기본 편집기와 유사합니다.

분명히 말하면 AI 생성 CRISPR 도구는 접시의 세포에서만 테스트되었습니다. 치료법이 클리닉에 도달하려면 살아있는 생물체를 대상으로 안전성과 효능에 대한 세심한 테스트를 거쳐야 하며, 이는 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다.

Profluent는 OpenCRISPR-1을 연구원 및 상업 그룹과 공개적으로 공유하지만 도구를 만든 AI는 내부에 유지하고 있습니다. “우리는 연구 및 상업용 애플리케이션 전반에 걸쳐 광범위하고 윤리적인 사용을 촉진하기 위해 OpenCRISPR-1을 공개적으로 출시합니다.”라고 그들은 썼습니다.

사전 인쇄로서 그들의 작업을 설명하는 논문은 아직 전문 피어 리뷰어에 의해 분석되지 않았습니다. 과학자들은 또한 OpenCRISPR-1 또는 변종들이 식물, 생쥐, 인간을 포함한 여러 유기체에서 작동한다는 것을 보여주어야 합니다. 그러나 흥미롭게도 이 결과는 우리의 유전적 청사진을 근본적으로 바꿀 수 있는 생성 AI의 새로운 길을 열었습니다.

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• 출처: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/