CRISPR on mullistanut tieteen. Tekoäly vie nyt geenieditorin uudelle tasolle.

Sen kyvyn ansiosta muokata genomia tarkasti, CRISPR-työkaluja käytetään nykyään laajalti biotekniikassa ja lääketieteessä perinnöllisten sairauksien torjumiseksi. Vuoden 2023 lopulla terapiaa käyttäen Nobelin palkittu työkalu sai FDA:n hyväksynnän sirppisolusairauden hoitoon. Myös CRISPR on otettu käyttöön CAR T-soluterapia syöpää vastaan ja on tottunut alentaa vaarallisen korkeita kolesterolitasoja kliinisissä tutkimuksissa.

Lääketieteen ulkopuolella CRISPR-työkalut ovat muuttaa maatalousmaisemaa, hankkeiden suunnitteluvaiheessa sarvettomat sonnit, ravinnepitoisia tomaattejaja karjaa ja kalaa enemmän lihasmassaa.

Reaalimaailman vaikutuksistaan ​​huolimatta CRISPR ei ole täydellinen. Työkalu katkaisee molemmat DNA-säikeet, mikä voi aiheuttaa vaarallisia mutaatioita. Se voi myös vahingossa nipistää tahattomia genomin alueita ja laukaista arvaamattomia sivuvaikutuksia.

CRISPR löydettiin ensin bakteereista puolustusmekanismina, mikä viittaa siihen, että luonto kätkee runsaasti CRISPR-komponentteja. Viimeisen vuosikymmenen aikana tutkijat ovat seuloneet erilaisia ​​​​luonnonympäristöjä – esimerkiksi lampivaahtoa – löytääkseen työkalusta muita versioita, jotka voisivat mahdollisesti lisätä sen tehokkuutta ja tarkkuutta. Vaikka tämä strategia onnistuu, se riippuu siitä, mitä luonnolla on tarjottavanaan. Jotkut edut, kuten pienempi koko tai pitkäikäisyys kehossa, sisältävät usein kompromisseja, kuten alhaisemman aktiivisuuden tai tarkkuuden.

Sen sijaan, että luottaisimme evoluutioon, voimmeko nopeuttaa parempia CRISPR-työkaluja tekoälyn avulla?

Tällä viikolla Runsas, Kaliforniassa sijaitseva startup, hahmotteli strategian joka käyttää tekoälyä uuden CRISPR-geenieditorien universumin keksimiseen. Laajoihin kielimalleihin – suositun ChatGPT:n taustalla olevaan tekniikkaan – perustuva tekoäly suunnitteli useita uusia geeninmuokkauskomponentteja.

Ihmissoluissa komponentit nivoutuivat muokkaamaan luotettavasti kohdistettuja geenejä. Tehokkuus vastasi klassista CRISPR:ää, mutta paljon tarkempaa. Lupaavin editori, nimeltään OpenCRISPR-1, pystyi myös tarkasti vaihtamaan yksittäisiä DNA-kirjaimia – perusmuokkaustekniikkaa – nykyisten työkalujen kanssa kilpailevalla tarkkuudella.

"Esittelemme maailman ensimmäisen onnistuneen ihmisen genomin editoinnin geeninmuokkausjärjestelmällä, jossa jokainen komponentti on täysin tekoälyn suunnittelema", kirjoitti kirjoittajat blogikirjoituksessa.

Ottelu taivaaseen

CRISPR:llä ja tekoälyllä on ollut pitkä romanssi.

CRISPR-reseptillä on kaksi pääosaa: "saksimainen" Cas-proteiini, joka leikkaa tai leikkaa genomin, ja "verikoiran" RNA-opas, joka kytkee saksisen proteiinin kohdegeeniin.

Vaihtelemalla näitä komponentteja järjestelmästä tulee työkalupakki, jossa jokainen kokoonpano on räätälöity suorittamaan tietyn tyyppistä geenien muokkausta. Jotkut Cas-proteiinit leikkaavat molemmat DNA-juosteet; toiset antavat vain yhden säikeen nopean katkaisun. Vaihtoehtoiset versiot voivat myös leikata RNA:ta, eräänlaista geneettistä materiaalia, jota löytyy viruksista, ja niitä voidaan käyttää diagnostisina työkaluina tai antiviraalisina hoitoina.

Cas-proteiinien eri versioita löydetään usein etsimällä luonnollisia ympäristöjä tai prosessin kautta, jota kutsutaan suoraksi evoluutioksi. Tässä tutkijat rationaalisesti vaihtavat joitakin Cas-proteiinin osia potentiaalisesti tehokkuuden lisäämiseksi.

Se on erittäin aikaa vievä prosessi. Missä AI tulee sisään.

Koneoppiminen on jo auttanut ennustaa kohteen ulkopuolisia vaikutuksia CRISPR-työkaluissa. Se on myös kotiutunut sisään pienemmille Cas-proteiineille, jotta pienennetyt editorit olisi helpompi toimittaa soluihin.

Profluentti käytti tekoälyä uudella tavalla: Sen sijaan, että he olisivat tehostaneet nykyisiä järjestelmiä, he suunnittelivat CRISPR-komponentteja tyhjästä käyttämällä suuria kielimalleja.

Nämä ChatGPT:n ja DALL-E:n perustana olevat mallit toivat tekoälyn valtavirtaan. He oppivat valtavista määristä tekstiä, kuvia, musiikkia ja muuta dataa tislaamaan kuvioita ja käsitteitä. Näin algoritmit luovat kuvia yhdestä tekstikehotteesta - esimerkiksi "yksisarvinen aurinkolaseineen tanssimassa sateenkaaren päällä" - tai matkivat tietyn artistin musiikkityyliä.

Sama tekniikka on myös muutti proteiinisuunnittelun maailmaa. Kuten kirjan sanat, proteiinit sidotaan yksittäisistä molekyylikirjaimista ketjuiksi, jotka sitten taittuvat tietyillä tavoilla saadakseen proteiinit toimimaan. Syöttämällä proteiinisekvenssejä tekoälyyn tiedemiehet ovat jo tehneet muokatut vasta-aineet ja muut toiminnallisia proteiineja, joita luonnolle ei tunneta.

"Suuret generatiiviset proteiinikielimallit kuvaavat taustalla olevan suunnitelman siitä, mikä tekee luonnollisesta proteiinista toimivan." kirjoitti tiimi blogitekstissä. "He lupaavat oikotien ohittaa satunnaisen evoluutioprosessin ja ohjata meidät suunnittelemaan tarkoituksellisesti proteiineja tiettyyn tarkoitukseen."

Unelmoiko tekoäly CRISPR-lampaista?

Kaikki suuret kielimallit tarvitsevat koulutustietoja. Sama pätee geenieditoreja luovaan algoritmiin. Toisin kuin tekstiä, kuvia tai videoita, jotka voidaan helposti kaapata verkossa, CRISPR-tietokanta on vaikeampi löytää.

Ryhmä seuloi ensin yli 26 teratavua tietoja nykyisistä CRISPR-järjestelmistä ja rakensi CRISPR-Cas-atlasin – tutkijoiden mukaan tähän mennessä laajimman.

Haku paljasti miljoonia CRISPR-Cas-komponentteja. Sitten joukkue harjoitteli omaa ProGen2 kielimalli-joka oli hienosäädetty proteiinien löytämistä varten - CRISPR-atlasin avulla.

Tekoäly loi lopulta neljä miljoonaa proteiinisekvenssiä, joilla oli mahdollista Cas-aktiivisuutta. Suodatettuaan ilmeiset kuolleet toisella tietokoneohjelmalla tiimi nollautui uuteen Casin "proteiinisaksien" universumiin.

Algoritmi ei vain haaveillut proteiineja, kuten Cas9. Cas-proteiinit tulevat perheisiin, joista jokaisella on omat erikoisensa geeninmuokkauskyvyssä. Tekoäly suunnitteli myös proteiineja, jotka muistuttavat Cas13:a, joka kohdistuu RNA:han, ja Cas12a:ta, joka on kompaktimpi kuin Cas9.

Kaiken kaikkiaan tulokset laajensivat potentiaalisten Cas-proteiinien universumia lähes viisinkertaiseksi. Mutta toimiiko mikään niistä?

Hei, CRISPR World

Seuraavaa testiä varten tiimi keskittyi Cas9:ään, koska sitä käytetään jo laajasti biolääketieteen ja muilla aloilla. He kouluttivat tekoälyä noin 240,000 9 erilaisessa CasXNUMX-proteiinirakenteessa useista eri tyyppisistä eläimistä, tavoitteenaan tuottaa samanlaisia ​​proteiineja korvaamaan luonnollisia proteiineja – mutta tehokkaammin tai tarkemmin.

Alkutulokset olivat yllättäviä: Luodut sekvenssit, noin miljoona, olivat täysin erilaisia ​​kuin luonnolliset Cas9-proteiinit. Mutta käyttämällä DeepMindin AlphaFold2:ta, proteiinirakenteen ennustavaa tekoälyä, tiimi havaitsi, että luodut proteiinisekvenssit voisivat ottaa samanlaisia ​​muotoja.

Cas-proteiinit eivät voi toimia ilman verikoiran RNA-opasta. CRISPR-Cas-atlasilla tiimi myös koulutti tekoälyä luomaan RNA-oppaan, kun sille annettiin proteiinisekvenssi.

Tuloksena on tekoälyn suunnittelema CRISPR-geenieditori, jossa on molemmat komponentit – Cas-proteiini ja RNA-opas. Nimetty OpenCRISPR-1, sen geenien muokkausaktiivisuus oli samanlainen kuin klassiset CRISPR-Cas9-järjestelmät, kun sitä testattiin viljellyissä ihmisen munuaissoluissa. Yllättäen tekoälyn luoma versio leikkasi tavoitteen ulkopuolista editointia noin 95 prosenttia.

Muutamalla säädöllä OpenCRISPR-1 voisi myös suorittaa peruseditointia, joka voi muuttaa yksittäisiä DNA-kirjaimia. Verrattuna klassiseen CRISPR:ään, perusmuokkaus on todennäköisesti tarkempaa, koska se rajoittaa genomin vahingoittumista. Ihmisen munuaissoluissa OpenCRISPR-1 muunsi luotettavasti yhden DNA-kirjaimen toiseksi kolmessa paikassa genomissa muokkausnopeudella, joka on samanlainen kuin nykyisten peruseditorien.

Selvyyden vuoksi tekoälyn luomia CRISPR-työkaluja on testattu vain lautasen soluissa. Jotta hoidot pääsisivät klinikalle, heidän on läpäistävä huolellinen turvallisuus ja tehokkuus elävillä olentoilla, mikä voi kestää kauan.

Profluent jakaa avoimesti OpenCRISPR-1:n tutkijoiden ja kaupallisten ryhmien kanssa, mutta pitää työkalun luoneen tekoälyn talossa. "Julkaisemme OpenCRISPR-1:n julkisesti helpottaaksemme laajaa, eettistä käyttöä tutkimuksessa ja kaupallisissa sovelluksissa", he kirjoittivat.

Esipainoksena heidän työtään kuvaava paperi ei ole vielä analysoitu asiantuntijoiden vertaisarvioijalta. Tutkijoiden on myös osoitettava OpenCRISPR-1:n tai muunnelmien toimivan useissa organismeissa, mukaan lukien kasvit, hiiret ja ihmiset. Mutta hämmästyttävää on, että tulokset avaavat uuden tien generatiiviselle tekoälylle – sellaiselle, joka voi muuttaa perinpohjaisesti geneettistä suunnitelmaamme.

Kuva pistetilanne: Runsas

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/