CRISPR 徹底改變了科學。人工智慧現在正在將基因編輯器提升到一個新的水平。
由於其能夠準確編輯基因組，CRISPR 工具現已廣泛應用於生物技術和醫學領域，以解決遺傳性疾病。 2023 年末，一種使用 諾貝爾獎獲獎者 該工具獲得 FDA 批准用於治療鐮狀細胞疾病。 CRISPR 也啟用了 CAR T 細胞療法對抗癌症 並已習慣 降低危險的高膽固醇水平 在臨床試驗中。
在醫學之外，CRISPR 工具是 改變農業景觀，專案正在進行中 無角公牛, 營養豐富的西紅柿和 牲畜和魚類 具有更多的肌肉量。
儘管 CRISPR 對現實世界產生了影響，但它並不完美。該工具會剪斷兩條 DNA 鏈，這可能會導致危險的突變。它也可能無意中夾住基因組的非預期區域並引發不可預測的副作用。
CRISPR 最初是作為一種防禦機制在細菌中被發現，這表明自然界隱藏著大量的 CRISPR 成分。在過去的十年中，科學家們篩選了不同的自然環境（例如池塘浮渣），以找到可以提高其功效和精度的其他版本的工具。雖然這種策略很成功，但它取決於大自然的條件。一些好處，例如更小的尺寸或更長的體內壽命，通常會伴隨著較低的活動或精確度等權衡。
我們能否透過人工智慧快速開發出更好的 CRISPR 工具，而不是依賴演化？
這一周， 富裕，一家位於加州的新創公司， 制定了戰略 使用 AI 構想 CRISPR 基因編輯的新世界。基於大型語言模型（流行的 ChatGPT 背後的技術），人工智慧設計了幾種新的基因編輯組件。
在人類細胞中，這些成分相互結合以可靠地編輯目標基因。效率與經典 CRISPR 相當，但精度更高。最有前途的編輯器被稱為 OpenCRISPR-1，它還可以精確地替換單個 DNA 字母（一種稱為鹼基編輯的技術），其準確性可與當前工具相媲美。
“我們展示了世界上首次使用基因編輯系統成功編輯人類基因組，其中每個組件都是完全由人工智慧設計的，” 寫道： 作者在部落格文章中。
天堂製造的比賽
CRISPR 和 AI 的浪漫史由來已久。
CRISPR配方有兩個主要部分：用於切割或切割基因組的「剪刀」Cas蛋白，以及將剪刀蛋白與目標基因連接的「獵犬」RNA嚮導。
透過改變這些組件，系統變成了一個工具箱，每個設定都經過客製化以執行特定類型的基因編輯。有些 Cas 蛋白會切割 DNA 的兩條鏈；其他人只快速剪斷一根頭髮。替代版本還可以切割 RNA（病毒中發現的遺傳物質），並可用作診斷工具或抗病毒治療。
不同版本的 Cas 蛋白通常是透過搜尋自然環境或透過稱為直接進化的過程來發現的。在這裡，科學家合理地替換了 Cas 蛋白的某些部分，以潛在地提高功效。
這是一個非常耗時的過程。這就是人工智慧發揮作用的地方。
機器學習已經有所幫助 預測脫靶效應 在 CRISPR 工具中。這也是 駐紮在 更小的 Cas 蛋白，使小型編輯器更容易遞送到細胞中。
Profluence 以一種新穎的方式使用人工智慧：他們沒有增強現有系統，而是使用大型語言模型從頭開始設計 CRISPR 組件。
這些模型以 ChatGPT 和 DALL-E 為基礎，將 AI 推向了主流。他們從大量文字、圖像、音樂和其他資料中學習，提煉出模式和概念。這就是演算法如何根據單一文字提示生成圖像（例如，「戴著墨鏡的獨角獸在彩虹上跳舞」）或模仿給定藝術家的音樂風格。
同樣的技術也 改變了蛋白質設計世界。就像書中的文字一樣，蛋白質由單個分子“字母”串成鏈，然後以特定方式折疊以使蛋白質發揮作用。透過將蛋白質序列輸入人工智慧，科學家已經 形成的抗體 和其他 自然界未知的功能蛋白.
“大型生成蛋白質語言模型捕捉了天然蛋白質功能的基本藍圖，” 寫道： 部落格文章中的團隊。 “他們承諾提供一條繞過隨機進化過程的捷徑，促使我們有意識地為特定目的設計蛋白質。”
人工智慧會夢見 CRISPR 羊嗎？
所有大型語言模型都需要訓練資料。對於產生基因編輯器的演算法也是如此。與可以輕鬆在線上抓取的文字、圖像或影片不同，CRISPR 資料庫更難找到。
研究人員表示，團隊首先篩選了超過 26 TB 的有關目前 CRISPR 系統的數據，並建立了迄今為止最廣泛的 CRISPR-Cas 圖集。
搜尋揭示了數百萬個 CRISPR-Cas 組件。隨後，團隊對他們進行了訓練 ProGen2 語言模型——使用 CRISPR 圖集對蛋白質發現進行了微調。
AI 最終產生了 400 萬個具有潛在 Cas 活性的蛋白質序列。在用另一個電腦程式過濾掉明顯的無賴後，團隊將注意力集中在 Cas「蛋白質剪刀」的新宇宙上。
該演算法不僅僅是想像 Cas9 這樣的蛋白質。 Cas 蛋白分為多個家族，每個家族在基因編輯能力上都有自己的特色。 AI 還設計了類似於 Cas13（靶向 RNA）和 Cas12a（比 Cas9 更緊湊）的蛋白質。
總體而言，這些結果將潛在 Cas 蛋白的範圍擴大了近五倍。但它們中的任何一個有效嗎？
你好，CRISPR 世界
在接下來的測試中，團隊將重點放在Cas9上，因為它已經廣泛應用於生物醫學和其他領域。他們對來自多種動物的大約 240,000 種不同的 Cas9 蛋白質結構進行了訓練，目標是產生類似的蛋白質來取代天然蛋白質，但效率或精度更高。
最初的結果令人驚訝：產生的序列（大約一百萬個）與天然 Cas9 蛋白完全不同。但使用 DeepMind 的 AlphaFold2（一種蛋白質結構預測人工智慧），該團隊發現生成的蛋白質序列可以採用相似的形狀。
如果沒有獵犬 RNA 引導，Cas 蛋白就無法發揮作用。透過 CRISPR-Cas 圖譜，該團隊還訓練人工智慧在給定蛋白質序列時產生 RNA 嚮導。
結果是由 AI 設計的 CRISPR 基因編輯器，包含 Cas 蛋白和 RNA 嚮導這兩個組件。在培養的人類腎臟細胞中進行測試時，其基因編輯活性稱為 OpenCRISPR-1，與經典的 CRISPR-Cas9 系統相似。令人驚訝的是，人工智慧生成的版本將脫靶編輯減少了約 95%。
經過一些調整，OpenCRISPR-1 還可以執行鹼基編輯，這可以改變單一 DNA 字母。與經典的 CRISPR 相比，鹼基編輯可能更精確，因為它限制了對基因組的損害。在人類腎臟細胞中，OpenCRISPR-1 在基因組的三個位點可靠地將一個 DNA 字母轉換為另一個 DNA 字母，其編輯率與目前的鹼基編輯器相似。
需要明確的是，人工智慧生成的 CRISPR 工具僅在培養皿中的細胞中進行了測試。為了讓治療方法進入臨床，需要在生物體中進行仔細的安全性和有效性測試，這可能需要很長時間。
Profluence 正在與研究人員和商業團體公開分享 OpenCRISPR-1，但將創建該工具的人工智慧保留在內部。他們寫道：“我們公開發布 OpenCRISPR-1，以促進研究和商業應用中廣泛、合乎道德的使用。”
作為預印本，描述他們工作的論文尚未經過專家同行評審員的分析。科學家還必須證明 OpenCRISPR-1 或變體在多種生物體中發揮作用，包括植物、小鼠和人類。但令人著迷的是，這些結果為生成人工智慧開闢了一條新途徑——可能從根本上改變我們的基因藍圖。
圖片來源： 富裕
