CRISPR ได้ปฏิวัติวิทยาศาสตร์ ขณะนี้ AI กำลังยกระดับเครื่องมือแก้ไขยีนไปอีกระดับ

เนื่องจากความสามารถในการแก้ไขจีโนมได้อย่างแม่นยำ เครื่องมือ CRISPR จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการแพทย์เพื่อจัดการกับโรคที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม ในช่วงปลายปี พ.ศ. 2023 มีการบำบัดโดยใช้ รับรางวัลโนเบล เครื่องมือที่ได้รับการอนุมัติจากอย.ให้รักษาโรคเคียวเซลล์ได้ CRISPR ก็เปิดใช้งานเช่นกัน การบำบัดด้วยเซลล์ CAR T เพื่อต่อสู้กับโรคมะเร็ง และเคยชินกับ ลดระดับคอเลสเตอรอลสูงจนเป็นอันตราย ในการทดลองทางคลินิก

ภายนอกการแพทย์ เครื่องมือ CRISPR คือ การเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ทางการเกษตรโดยมีโครงการที่กำลังดำเนินการด้านวิศวกรรม วัวไม่มีเขา, มะเขือเทศที่อุดมด้วยสารอาหารและ ปศุสัตว์และปลา มีมวลกล้ามเนื้อเพิ่มมากขึ้น

แม้จะมีผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริง แต่ CRISPR ก็ไม่สมบูรณ์แบบ เครื่องมือนี้จะตัด DNA ทั้งสองเส้นออก ซึ่งอาจทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายได้ นอกจากนี้ยังสามารถจับบริเวณจีโนมโดยไม่ได้ตั้งใจและก่อให้เกิดผลข้างเคียงที่ไม่อาจคาดเดาได้

CRISPR ถูกค้นพบครั้งแรกในแบคทีเรียเพื่อเป็นกลไกในการป้องกัน โดยบอกเป็นนัยว่าธรรมชาติซ่อนองค์ประกอบ CRISPR ไว้มากมาย ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้คัดกรองสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติที่แตกต่างกัน เช่น ขยะในบ่อ เพื่อค้นหาเครื่องมือเวอร์ชันอื่นที่อาจเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำได้ แม้ว่าจะประสบความสำเร็จ แต่กลยุทธ์นี้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ธรรมชาติมอบให้ ประโยชน์บางอย่าง เช่น ขนาดที่เล็กลงหรืออายุยืนยาวในร่างกาย มักมาพร้อมกับข้อด้อย เช่น กิจกรรมหรือความแม่นยำที่น้อยลง

แทนที่จะพึ่งพาวิวัฒนาการ เราสามารถติดตามเครื่องมือ CRISPR ที่ดีกว่าด้วย AI ได้อย่างรวดเร็วหรือไม่

สัปดาห์นี้ อุดมสมบูรณ์ซึ่งเป็นสตาร์ทอัพที่ตั้งอยู่ในแคลิฟอร์เนีย ได้สรุปกลยุทธ์ ที่ใช้ AI เพื่อฝันถึงจักรวาลใหม่ของนักตัดต่อยีน CRISPR จากโมเดลภาษาขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลัง ChatGPT ยอดนิยม AI ได้ออกแบบองค์ประกอบการแก้ไขยีนใหม่หลายอย่าง

ในเซลล์ของมนุษย์ ส่วนประกอบต่างๆ เชื่อมโยงกันเพื่อแก้ไขยีนเป้าหมายได้อย่างน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพนั้นเข้ากันกับ CRISPR แบบคลาสสิก แต่มีความแม่นยำมากกว่ามาก โปรแกรมแก้ไขที่มีแนวโน้มมากที่สุดซึ่งมีชื่อว่า OpenCRISPR-1 สามารถสลับตัวอักษร DNA เดี่ยวซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่เรียกว่าการแก้ไขพื้นฐานได้อย่างแม่นยำด้วยความแม่นยำที่ทัดเทียมกับเครื่องมือในปัจจุบัน

“เราแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการแก้ไขจีโนมมนุษย์ครั้งแรกของโลกโดยใช้ระบบแก้ไขยีน ซึ่งทุกส่วนประกอบได้รับการออกแบบโดย AI อย่างสมบูรณ์” เขียน ผู้เขียนในโพสต์บล็อก

จับคู่ทำในสวรรค์

CRISPR และ AI มีความโรแมนติกมายาวนาน

สูตร CRISPR มีสองส่วนหลัก: โปรตีน Cas แบบ "กรรไกร" ที่ตัดหรือแยกจีโนม และคู่มือ RNA "bloodhound" ที่เชื่อมโยงโปรตีนแบบกรรไกรเข้ากับยีนเป้าหมาย

ด้วยการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบเหล่านี้ ระบบจะกลายเป็นกล่องเครื่องมือ โดยการตั้งค่าแต่ละอย่างได้รับการปรับแต่งให้ทำการแก้ไขยีนเฉพาะประเภทได้ โปรตีน Cas บางชนิดตัด DNA ทั้งสองเส้น คนอื่น ๆ ให้ตัดอย่างรวดเร็วเพียงเส้นเดียว เวอร์ชันทางเลือกยังสามารถตัด RNA ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมประเภทหนึ่งที่พบในไวรัส และสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยหรือการรักษาด้วยยาต้านไวรัสได้

โปรตีน Cas รุ่นต่างๆ มักพบได้จากการค้นหาสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติหรือผ่านกระบวนการที่เรียกว่าวิวัฒนาการโดยตรง ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์สลับโปรตีน Cas บางส่วนอย่างมีเหตุผลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

เป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานมาก ซึ่งเป็นจุดที่ AI เข้ามา

แมชชีนเลิร์นนิงช่วยได้แล้ว คาดการณ์ผลกระทบนอกเป้าหมาย ในเครื่องมือ CRISPR ก็ยัง อยู่ใน บนโปรตีน Cas ที่เล็กกว่าเพื่อทำให้ตัวแก้ไขที่ลดขนาดสามารถส่งเข้าสู่เซลล์ได้ง่ายขึ้น

Profluent ใช้ AI ในรูปแบบใหม่: แทนที่จะเพิ่มประสิทธิภาพระบบปัจจุบัน พวกเขาออกแบบส่วนประกอบ CRISPR ตั้งแต่เริ่มต้นโดยใช้แบบจำลองภาษาขนาดใหญ่

โมเดลเหล่านี้ใช้ AI เข้าสู่กระแสหลักโดยใช้ ChatGPT และ DALL-E พวกเขาเรียนรู้จากข้อความ รูปภาพ เพลง และข้อมูลอื่นๆ จำนวนมหาศาลเพื่อกลั่นกรองรูปแบบและแนวคิด นี่คือวิธีที่อัลกอริธึมสร้างภาพจากข้อความเดียว เช่น “ยูนิคอร์นสวมแว่นกันแดดเต้นรำเหนือสายรุ้ง” หรือเลียนแบบสไตล์ดนตรีของศิลปินคนใดคนหนึ่ง

เทคโนโลยีเดียวกันนี้ก็มี ได้เปลี่ยนแปลงโลกแห่งการออกแบบโปรตีน- เช่นเดียวกับคำพูดในหนังสือ โปรตีนจะถูกร้อยจาก “ตัวอักษร” โมเลกุลแต่ละตัวเป็นสายโซ่ จากนั้นจะพับในลักษณะเฉพาะเพื่อให้โปรตีนทำงานได้ นักวิทยาศาสตร์ได้ป้อนลำดับโปรตีนเข้าไปใน AI แล้ว แอนติบอดีที่มีรูปแบบ และอื่น ๆ โปรตีนเชิงหน้าที่ที่ธรรมชาติไม่รู้จัก.

“แบบจำลองภาษาโปรตีนกำเนิดขนาดใหญ่จับพิมพ์เขียวพื้นฐานของสิ่งที่ทำให้โปรตีนตามธรรมชาติทำงานได้” เขียน ทีมงานในโพสต์บล็อก “พวกมันสัญญาว่าจะมีทางลัดในการหลีกเลี่ยงกระบวนการวิวัฒนาการแบบสุ่ม และนำเราไปสู่การออกแบบโปรตีนโดยเจตนาเพื่อจุดประสงค์เฉพาะ”

AIs ฝันถึง CRISPR Sheep หรือไม่?

โมเดลภาษาขนาดใหญ่ทั้งหมดต้องการข้อมูลการฝึกอบรม เช่นเดียวกับอัลกอริทึมที่สร้างตัวแก้ไขยีน ต่างจากข้อความ รูปภาพ หรือวิดีโอที่สามารถคัดลอกทางออนไลน์ได้ง่าย ฐานข้อมูล CRISPR นั้นหายากกว่า

นักวิจัยระบุว่าทีมได้คัดกรองข้อมูลมากกว่า 26 เทราไบต์เกี่ยวกับระบบ CRISPR ปัจจุบัน และสร้างแผนที่ CRISPR-Cas ซึ่งครอบคลุมที่สุดในปัจจุบัน

การค้นหาเผยให้เห็นส่วนประกอบ CRISPR-Cas หลายล้านชิ้น จากนั้นทีมงานก็ได้ฝึกฝนพวกเขา โมเดลภาษา ProGen2—ซึ่งได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดสำหรับการค้นพบโปรตีน — โดยใช้แผนที่ CRISPR

ในที่สุด AI ก็สร้างลำดับโปรตีนสี่ล้านลำดับพร้อมกับกิจกรรมของ Cas หลังจากกรองการตายที่ชัดเจนด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์อื่นแล้ว ทีมงานก็มุ่งความสนใจไปที่จักรวาลใหม่ของ Cas "กรรไกรโปรตีน"

อัลกอริธึมไม่ได้เพียงแค่ฝันถึงโปรตีนเช่น Cas9 เท่านั้น โปรตีน Cas มีอยู่หลายครอบครัว โดยแต่ละครอบครัวมีความสามารถในการตัดต่อยีนต่างกันไป นอกจากนี้ AI ยังออกแบบโปรตีนที่มีลักษณะคล้ายกับ Cas13 ซึ่งมีเป้าหมายเป็น RNA และ Cas12a ซึ่งมีขนาดกะทัดรัดกว่า Cas9

โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้ขยายจักรวาลของโปรตีน Cas ที่มีศักยภาพเกือบห้าเท่า แต่สิ่งใดสิ่งหนึ่งของพวกเขาทำงาน?

สวัสดี CRISPR เวิลด์

สำหรับการทดสอบครั้งต่อไป ทีมงานมุ่งเน้นไปที่ Cas9 เนื่องจากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านชีวการแพทย์และสาขาอื่นๆ พวกเขาฝึก AI เกี่ยวกับโครงสร้างโปรตีน Cas240,000 ประมาณ 9 โครงสร้างจากสัตว์หลายประเภท โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างโปรตีนที่คล้ายกันเพื่อทดแทนโปรตีนธรรมชาติ แต่มีประสิทธิภาพหรือความแม่นยำสูงกว่า

ผลลัพธ์เบื้องต้นน่าประหลาดใจ: ลำดับที่สร้างขึ้นซึ่งมีประมาณหนึ่งล้านลำดับ แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากโปรตีน Cas9 ตามธรรมชาติ แต่การใช้ AlphaFold2 ของ DeepMind ซึ่งเป็น AI ทำนายโครงสร้างโปรตีน ทีมงานพบว่าลำดับโปรตีนที่สร้างขึ้นสามารถใช้รูปร่างที่คล้ายกันได้

โปรตีน Cas ไม่สามารถทำงานได้หากไม่มีคู่มือ RNA ของสุนัขล่าเนื้อ ด้วยแผนที่ CRISPR-Cas ทีมงานยังได้ฝึก AI เพื่อสร้างแนวทาง RNA เมื่อได้รับลำดับโปรตีน

ผลลัพธ์ที่ได้คือตัวแก้ไขยีน CRISPR ที่มีทั้งสององค์ประกอบ ได้แก่ โปรตีน Cas และคู่มือ RNA ซึ่งออกแบบโดย AI OpenCRISPR-1 ซึ่งมีชื่อเรียกว่า OpenCRISPR-9 มีกิจกรรมการแก้ไขยีนคล้ายกับระบบ CRISPR-Cas95 แบบคลาสสิก เมื่อทดสอบในเซลล์ไตของมนุษย์ที่เพาะเลี้ยง น่าแปลกที่เวอร์ชันที่สร้างโดย AI ได้ลดการแก้ไขนอกเป้าหมายลงประมาณ XNUMX เปอร์เซ็นต์

ด้วยการปรับแต่งเล็กน้อย OpenCRISPR-1 ยังสามารถดำเนินการแก้ไขพื้นฐาน ซึ่งสามารถเปลี่ยนตัวอักษร DNA ตัวเดียวได้ เมื่อเปรียบเทียบกับ CRISPR แบบคลาสสิก การแก้ไขฐานน่าจะแม่นยำกว่าเนื่องจากจำกัดความเสียหายต่อจีโนม ในเซลล์ไตของมนุษย์ OpenCRISPR-1 สามารถแปลงตัวอักษร DNA หนึ่งตัวไปเป็นอีกตัวหนึ่งได้อย่างน่าเชื่อถือในสามไซต์ทั่วทั้งจีโนม โดยมีอัตราการแก้ไขใกล้เคียงกับตัวแก้ไขฐานในปัจจุบัน

เพื่อให้ชัดเจน เครื่องมือ CRISPR ที่สร้างโดย AI ได้รับการทดสอบในเซลล์ในจานเท่านั้น เพื่อให้การรักษาไปถึงคลินิกได้ พวกเขาจะต้องผ่านการทดสอบอย่างรอบคอบเพื่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพของสิ่งมีชีวิต ซึ่งอาจใช้เวลานาน

Profluent กำลังแบ่งปัน OpenCRISPR-1 อย่างเปิดเผยกับนักวิจัยและกลุ่มการค้า แต่ยังคงรักษา AI ที่สร้างเครื่องมือไว้ภายในองค์กร “เราเผยแพร่ OpenCRISPR-1 ต่อสาธารณะเพื่ออำนวยความสะดวกในการใช้งานในวงกว้างและมีจริยธรรมในการวิจัยและเชิงพาณิชย์” พวกเขาเขียน

ในการพิมพ์ล่วงหน้า บทความที่อธิบายผลงานของพวกเขายังไม่ได้รับการวิเคราะห์โดยผู้ตรวจสอบที่เชี่ยวชาญ นักวิทยาศาสตร์ยังต้องแสดง OpenCRISPR-1 หรือรูปแบบการทำงานของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด รวมถึงพืช หนู และมนุษย์ แต่ผลลัพธ์ที่น่าเย้ายวนใจก็คือการเปิดช่องทางใหม่ให้กับ AI เชิงสร้างสรรค์ ซึ่งสามารถเปลี่ยนพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมของเราโดยพื้นฐานได้

เครดิตภาพ: อุดมสมบูรณ์

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/