CRISPR ने विज्ञान में क्रांति ला दी है। एआई अब जीन एडिटर को अगले स्तर पर ले जा रहा है।
जीनोम को सटीक रूप से संपादित करने की अपनी क्षमता के कारण, सीआरआईएसपीआर उपकरण अब विरासत में मिली बीमारियों से निपटने के लिए जैव प्रौद्योगिकी और चिकित्सा क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। 2023 के अंत में, एक थेरेपी का उपयोग किया जाएगा नोबेल पुरस्कार-विजेता सिकल सेल रोग के इलाज के लिए उपकरण को FDA से मंजूरी मिल गई। CRISPR ने भी सक्षम किया है कैंसर से लड़ने के लिए सीएआर टी सेल थेरेपी और इसका उपयोग किया गया है खतरनाक रूप से उच्च कोलेस्ट्रॉल के स्तर को कम करें नैदानिक परीक्षणों में।
बाहर की दवा, CRISPR उपकरण हैं कृषि परिदृश्य को बदलना, इंजीनियर के लिए चल रही परियोजनाओं के साथ सींग रहित बैल, पोषक तत्वों से भरपूर टमाटर, तथा पशुधन और मछली अधिक मांसपेशी द्रव्यमान के साथ।
वास्तविक दुनिया पर इसके प्रभाव के बावजूद, CRISPR पूर्ण नहीं है। यह उपकरण डीएनए के दोनों हिस्सों को काट देता है, जिससे खतरनाक उत्परिवर्तन हो सकता है। यह अनजाने में जीनोम के अनपेक्षित क्षेत्रों को भी ख़त्म कर सकता है और अप्रत्याशित दुष्प्रभावों को ट्रिगर कर सकता है।
सीआरआईएसपीआर को पहली बार बैक्टीरिया में एक रक्षा तंत्र के रूप में खोजा गया था, जिससे पता चलता है कि प्रकृति सीआरआईएसपीआर घटकों की प्रचुरता को छुपाती है। पिछले एक दशक से, वैज्ञानिकों ने उपकरण के अन्य संस्करण खोजने के लिए विभिन्न प्राकृतिक वातावरणों की जांच की है - उदाहरण के लिए, तालाब का मैल - जो संभावित रूप से इसकी प्रभावकारिता और सटीकता को बढ़ा सकता है। सफल होते हुए भी, यह रणनीति इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकृति क्या पेशकश करती है। कुछ लाभ, जैसे शरीर में छोटा आकार या अधिक दीर्घायु, अक्सर कम गतिविधि या परिशुद्धता जैसे ट्रेड-ऑफ के साथ आते हैं।
विकास पर भरोसा करने के बजाय, क्या हम AI के साथ बेहतर CRISPR टूल को तेजी से ट्रैक कर सकते हैं?
इस हफ्ते, प्रचुरकैलिफोर्निया स्थित एक स्टार्टअप, एक रणनीति की रूपरेखा तैयार की जो CRISPR जीन संपादकों के एक नए ब्रह्मांड का सपना देखने के लिए AI का उपयोग करता है। बड़े भाषा मॉडल के आधार पर - लोकप्रिय चैटजीपीटी के पीछे की तकनीक - एआई ने कई नए जीन-संपादन घटकों को डिजाइन किया।
मानव कोशिकाओं में, लक्षित जीनों को विश्वसनीय रूप से संपादित करने के लिए घटक आपस में जुड़े हुए हैं। दक्षता क्लासिक सीआरआईएसपीआर से मेल खाती है, लेकिन कहीं अधिक सटीकता के साथ। सबसे आशाजनक संपादक, जिसे OpenCRISPR-1 कहा जाता है, एकल डीएनए अक्षरों को भी सटीक रूप से स्वैप कर सकता है - एक तकनीक जिसे बेस एडिटिंग कहा जाता है - एक सटीकता के साथ जो वर्तमान टूल को टक्कर देती है।
"हम जीन संपादन प्रणाली का उपयोग करके मानव जीनोम का दुनिया का पहला सफल संपादन प्रदर्शित करते हैं जहां हर घटक पूरी तरह से एआई द्वारा डिजाइन किया गया है," लिखा था एक ब्लॉग पोस्ट में लेखक।
स्वर्ग में बनी जोड़ी
CRISPR और AI का लंबा रोमांस रहा है।
सीआरआईएसपीआर रेसिपी के दो मुख्य भाग हैं: एक "कैंची" कैस प्रोटीन जो जीनोम को काटता है या निकालता है और एक "ब्लडहाउंड" आरएनए गाइड जो कैंची प्रोटीन को लक्ष्य जीन से जोड़ता है।
इन घटकों को अलग-अलग करके, सिस्टम एक टूलबॉक्स बन जाता है, जिसमें प्रत्येक सेटअप एक विशिष्ट प्रकार के जीन संपादन को करने के लिए तैयार किया जाता है। कुछ कैस प्रोटीन डीएनए के दोनों स्ट्रैंड को काटते हैं; अन्य लोग केवल एक कतरा पर त्वरित कटाक्ष करते हैं। वैकल्पिक संस्करण आरएनए को भी काट सकते हैं, जो वायरस में पाया जाने वाला एक प्रकार का आनुवंशिक पदार्थ है, और इसका उपयोग नैदानिक उपकरण या एंटीवायरल उपचार के रूप में किया जा सकता है।
कैस प्रोटीन के विभिन्न संस्करण अक्सर प्राकृतिक वातावरण में खोज करने या प्रत्यक्ष विकास नामक प्रक्रिया के माध्यम से पाए जाते हैं। यहां, वैज्ञानिक संभावित रूप से प्रभावकारिता बढ़ाने के लिए कैस प्रोटीन के कुछ हिस्सों को तर्कसंगत रूप से बदल देते हैं।
यह अत्यधिक समय लेने वाली प्रक्रिया है. यहीं पर AI आता है।
मशीन लर्निंग ने पहले ही मदद की है लक्ष्य से परे प्रभावों की भविष्यवाणी करें CRISPR टूल में. यह भी है में रखा गया छोटे कैस प्रोटीन पर छोटे आकार के संपादकों को कोशिकाओं में वितरित करना आसान हो जाता है।
प्रोफ्लुएंट ने एआई का एक नए तरीके से उपयोग किया: वर्तमान प्रणालियों को बढ़ावा देने के बजाय, उन्होंने बड़े भाषा मॉडल का उपयोग करके सीआरआईएसपीआर घटकों को स्क्रैच से डिजाइन किया।
ChatGPT और DALL-E के आधार पर, इन मॉडलों ने AI को मुख्यधारा में लॉन्च किया। वे पैटर्न और अवधारणाओं को समझने के लिए भारी मात्रा में पाठ, चित्र, संगीत और अन्य डेटा से सीखते हैं। यह इस प्रकार है कि एल्गोरिदम एक एकल टेक्स्ट प्रॉम्प्ट से छवियां उत्पन्न करते हैं - कहते हैं, "धूप के चश्मे के साथ गेंडा इंद्रधनुष के ऊपर नृत्य कर रहा है" - या किसी दिए गए कलाकार की संगीत शैली की नकल करते हैं।
यही तकनीक भी है प्रोटीन डिज़ाइन की दुनिया को बदल दिया. किसी किताब के शब्दों की तरह, प्रोटीन अलग-अलग आणविक "अक्षरों" से जंजीरों में बंधे होते हैं, जो फिर प्रोटीन को काम करने के लिए विशिष्ट तरीकों से मोड़ते हैं। एआई में प्रोटीन अनुक्रम खिलाकर, वैज्ञानिक पहले ही ऐसा कर चुके हैं निर्मित एंटीबॉडीज अन्य और प्रकृति के लिए अज्ञात कार्यात्मक प्रोटीन.
"बड़े जनरेटिव प्रोटीन भाषा मॉडल एक प्राकृतिक प्रोटीन को कार्यात्मक बनाने के अंतर्निहित ब्लूप्रिंट को पकड़ते हैं," लिखा था ब्लॉग पोस्ट में टीम. "वे विकास की यादृच्छिक प्रक्रिया को दरकिनार करने और हमें एक विशिष्ट उद्देश्य के लिए जानबूझकर प्रोटीन डिजाइन करने की ओर ले जाने के लिए एक शॉर्टकट का वादा करते हैं।"
क्या AI CRISPR भेड़ का सपना देखते हैं?
सभी बड़े भाषा मॉडलों को प्रशिक्षण डेटा की आवश्यकता होती है। जीन संपादकों को उत्पन्न करने वाले एल्गोरिदम के लिए भी यही सच है। टेक्स्ट, छवियों या वीडियो के विपरीत, जिन्हें आसानी से ऑनलाइन स्क्रैप किया जा सकता है, सीआरआईएसपीआर डेटाबेस को ढूंढना कठिन है।
शोधकर्ताओं के अनुसार, टीम ने सबसे पहले मौजूदा सीआरआईएसपीआर सिस्टम के बारे में 26 टेराबाइट्स से अधिक डेटा की जांच की और एक सीआरआईएसपीआर-कैस एटलस बनाया - जो अब तक का सबसे व्यापक है।
खोज से लाखों CRISPR-Cas घटकों का पता चला। इसके बाद टीम ने उन्हें प्रशिक्षित किया ProGen2 भाषा मॉडल-जिसे सीआरआईएसपीआर एटलस का उपयोग करके प्रोटीन खोज के लिए ठीक किया गया था।
एआई ने अंततः संभावित कैस गतिविधि के साथ चार मिलियन प्रोटीन अनुक्रम उत्पन्न किए। एक अन्य कंप्यूटर प्रोग्राम के साथ स्पष्ट डेडबीट्स को फ़िल्टर करने के बाद, टीम ने कैस "प्रोटीन कैंची" के एक नए ब्रह्मांड पर ध्यान केंद्रित किया।
एल्गोरिदम ने सिर्फ Cas9 जैसे प्रोटीन का सपना नहीं देखा। कैस प्रोटीन परिवारों में आते हैं, प्रत्येक की जीन-संपादन क्षमता की अपनी विशिष्टताएँ होती हैं। AI ने Cas13 जैसा प्रोटीन भी डिज़ाइन किया है, जो RNA को लक्षित करता है, और Cas12a, जो Cas9 की तुलना में अधिक कॉम्पैक्ट है।
कुल मिलाकर, परिणामों ने संभावित कैस प्रोटीन के ब्रह्मांड को लगभग पांच गुना बढ़ा दिया। लेकिन क्या उनमें से कोई काम करता है?
नमस्ते, सीआरआईएसपीआर वर्ल्ड
अगले परीक्षण के लिए, टीम ने Cas9 पर ध्यान केंद्रित किया, क्योंकि यह पहले से ही बायोमेडिकल और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उन्होंने एआई को कई प्रकार के जानवरों से लगभग 240,000 अलग-अलग Cas9 प्रोटीन संरचनाओं पर प्रशिक्षित किया, जिसका लक्ष्य प्राकृतिक प्रोटीन को बदलने के लिए समान प्रोटीन उत्पन्न करना था - लेकिन उच्च प्रभावकारिता या सटीकता के साथ।
प्रारंभिक परिणाम आश्चर्यजनक थे: उत्पन्न अनुक्रम, उनमें से लगभग दस लाख, प्राकृतिक Cas9 प्रोटीन से बिल्कुल अलग थे। लेकिन डीपमाइंड के अल्फाफोल्ड2, एक प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी एआई का उपयोग करके, टीम ने पाया कि उत्पन्न प्रोटीन अनुक्रम समान आकार अपना सकते हैं।
कैस प्रोटीन ब्लडहाउंड आरएनए गाइड के बिना कार्य नहीं कर सकता। सीआरआईएसपीआर-कैस एटलस के साथ, टीम ने प्रोटीन अनुक्रम दिए जाने पर आरएनए गाइड उत्पन्न करने के लिए एआई को भी प्रशिक्षित किया।
परिणाम एक सीआरआईएसपीआर जीन संपादक है जिसमें दोनों घटक-कैस प्रोटीन और आरएनए गाइड- एआई द्वारा डिजाइन किए गए हैं। डब किया गया OpenCRISPR-1, इसकी जीन संपादन गतिविधि क्लासिक CRISPR-Cas9 प्रणालियों के समान थी जब संवर्धित मानव गुर्दे की कोशिकाओं में परीक्षण किया गया था। आश्चर्यजनक रूप से, AI-जनरेटेड संस्करण ने ऑफ-टार्गेट संपादन को लगभग 95 प्रतिशत तक कम कर दिया।
कुछ बदलावों के साथ, OpenCRISPR-1 आधार संपादन भी कर सकता है, जो एकल डीएनए अक्षरों को बदल सकता है। क्लासिक सीआरआईएसपीआर की तुलना में, आधार संपादन अधिक सटीक होने की संभावना है क्योंकि यह जीनोम को होने वाले नुकसान को सीमित करता है। मानव गुर्दे की कोशिकाओं में, OpenCRISPR-1 ने वर्तमान आधार संपादकों के समान संपादन दर के साथ, जीनोम में तीन साइटों में एक डीएनए अक्षर को दूसरे में परिवर्तित किया।
स्पष्ट होने के लिए, एआई-जनित सीआरआईएसपीआर उपकरण का परीक्षण केवल एक डिश में कोशिकाओं में किया गया है। उपचार को क्लिनिक तक पहुंचाने के लिए, उन्हें जीवित प्राणियों में सुरक्षा और प्रभावकारिता के लिए सावधानीपूर्वक परीक्षण से गुजरना होगा, जिसमें लंबा समय लग सकता है।
प्रोफ्लुएंट खुले तौर पर ओपनसीआरआईएसपीआर-1 को शोधकर्ताओं और वाणिज्यिक समूहों के साथ साझा कर रहा है, लेकिन उपकरण बनाने वाले एआई को अपने पास ही रख रहा है। उन्होंने लिखा, "हम अनुसंधान और वाणिज्यिक अनुप्रयोगों में व्यापक, नैतिक उपयोग की सुविधा के लिए ओपनसीआरआईएसपीआर-1 को सार्वजनिक रूप से जारी करते हैं।"
प्रीप्रिंट के रूप में, उनके काम का वर्णन करने वाले पेपर का अभी भी विशेषज्ञ सहकर्मी समीक्षकों द्वारा विश्लेषण किया जाना बाकी है। वैज्ञानिकों को OpenCRISPR-1 या वेरिएंट को पौधों, चूहों और मनुष्यों सहित कई जीवों में काम करना भी दिखाना होगा। लेकिन आश्चर्यजनक रूप से, परिणाम जेनेरिक एआई के लिए एक नया रास्ता खोलते हैं - एक जो हमारे आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को मौलिक रूप से बदल सकता है।
छवि क्रेडिट: प्रचुर
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- स्रोत: https://singularityhub.com/2024/04/25/this-ai-just-designed-a-more-precise-crispr-gene-editor-for-human-cells-from-scratch/
