Orodje AI je pravkar razkrilo skoraj 200 novih sistemov za urejanje genov CRISPR

Orodje AI je pravkar razkrilo skoraj 200 novih sistemov za urejanje genov CRISPR

Časovni žig: 27. november 2023 5:36
An AI Tool Just Revealed Almost 200 New Systems for CRISPR Gene Editing PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

CRISPR ima težavo: zadrego zaradi bogastva.

Odkar je sistem za urejanje genov zaslovel, znanstveniki iščejo različice z večjo natančnostjo in točnostjo.

Ena metoda iskanja preiskuje gene, povezane s CRISPR-Cas9, v DNK bakterij in drugih bitij. Drugi umetno razvije komponente CRISPR v laboratoriju, da bi jim dal boljše terapevtske lastnosti – kot je večja stabilnost, varnost in učinkovitost v človeškem telesu.

Ti podatki so shranjeni v zbirkah podatkov, ki vsebujejo milijarde genetskih zaporedij. Čeprav so v teh knjižnicah morda skriti eksotični sistemi CRISPR, je preprosto preveč vnosov za iskanje.

Ta mesec je ekipa na MIT in Harvardu, ki jo vodi pionir CRISPR dr. Feng Zhang, črpala navdih iz obstoječega pristopa velikih podatkov in uporabila AI, da je morje genetskih zaporedij zožila na peščico, ki je podobna znanim sistemom CRISPR.

AI prebrskal odprtokodne baze podatkov z genomi neobičajnih bakterij – vključno s tistimi, ki jih najdemo v pivovarnah, premogovnikih, hladnih obalah Antarktike in (brez heca) pasji slini.

V samo nekaj tednih je algoritem natančno določil na tisoče potencialnih novih bioloških "delov", ki bi lahko sestavljali 188 novih sistemov, ki temeljijo na CRISPR - vključno z nekaterimi, ki so izjemno redki.

Izstopalo je več novih kandidatov. Na primer, nekateri bi se lahko natančneje zaklenili na ciljni gen za urejanje z manj stranskimi učinki. Druge različice niso neposredno uporabne, vendar bi lahko zagotovile vpogled v delovanje nekaterih obstoječih sistemov CRISPR – na primer tiste, ki ciljajo na RNA, molekulo »sporočil«, ki usmerja celice k gradnji beljakovin iz DNK.

"Biotska raznovrstnost je prava zakladnica," je dejal Zhang. "Izvajanje te analize nam na nek način omogoča, da ubijemo dve muhi na en mah: oba študirata biologijo in tudi potencialno najdeta uporabne stvari," je dejal. dodano.

Divji lov

Čeprav je CRISPR znan po svoji sposobnosti urejanja genov pri ljudeh, so znanstveniki najprej odkrili sistem pri bakterijah, kjer se bori proti virusnim okužbam.

Znanstveniki že dolgo zbirajo vzorce bakterij iz kotičkov in špranj po vsem svetu. Zahvaljujoč vse bolj dostopnemu in učinkovitemu določanju zaporedja DNK je bilo za mnoge od teh vzorcev – nekateri iz nepričakovanih virov, kot je izmeček iz ribnikov – začrtan njihov genetski načrt in deponiran v baze podatkov.

Zhang ni tujec pri lovu na nove sisteme CRISPR. »Pred nekaj leti smo se začeli spraševati: 'Kaj obstaja zunaj CRISPR in ali obstajajo v naravi še drugi sistemi, ki jih je mogoče programirati z RNK?'« Zhang Rekel MIT News v začetku tega leta.

CRISPR je sestavljen iz dveh struktur. Ena je vodilna sekvenca RNK »krvosledca«, običajno dolga približno 20 baz, ki cilja na določen gen. Drugi je škarjam podoben protein Cas. Ko je krvosledec v celici, najde tarčo in škarje odrežejo gen. Novejše različice sistema, kot je urejanje baze oz prvo urejanje, uporabljajo različne vrste proteinov Cas za izvajanje enočrkovnih zamenjav DNA ali celo za urejanje tarč RNA.

Nazaj v 2021, je Zhangov laboratorij izsledil izvor družinskega drevesa CRISPR in identificiral povsem novo družinsko linijo. Ti sistemi, poimenovani OMEGA, uporabljajo tuje vodilne RNA in proteinske škarje, vendar lahko še vedno zlahka izrežejo DNK v človeških celicah, gojenih v petrijevkah.

V zadnjem času ekipa razširili svoje iskanje na novo vejo življenja: evkarionte. Člani te družine – vključno z rastlinami, živalmi in ljudmi – imajo svojo DNK tesno zavito v oreščku podobno strukturo. Nasprotno pa bakterije nimajo teh struktur. S pregledovanjem gliv, alg in školjk (jup, biotska raznovrstnost je čudna in osupljiva) je ekipa našla proteine, ki jih imenujejo Fanzorji, ki jih je mogoče reprogramirati za urejanje človeške DNK – prvi dokaz, da mehanizem, podoben CRISPR, obstaja tudi pri evkariontih.

Toda cilj ni loviti bleščeče nove urejevalnike genov samo zaradi tega. Namesto tega gre za izkoriščanje naravnega zmožnosti urejanja genov za ustvarjanje zbirke urejevalnikov genov, od katerih ima vsak svoje prednosti, ki lahko zdravijo genetske motnje in nam pomagajo razumeti notranje delovanje našega telesa.

Skupaj so znanstveniki odkrili šest glavnih sistemov CRISPR – nekateri na primer sodelujejo z različnimi encimi Cas, drugi pa so specializirani za DNK ali RNK.

»Narava je neverjetna. Toliko je raznolikosti,« Zhang je dejal. "Verjetno obstaja več sistemov, ki jih je mogoče programirati z RNA, in še naprej raziskujemo in upamo, da bomo odkrili več."

Bioinženiring Scrabble

Za to je ekipa zgradila nov AI, imenovan FLSHclust. Preoblikovali so tehnologijo, ki analizira osupljivo velike nabore podatkov – kot je programska oprema, ki poudarja podobnosti v velikih depozitih dokumentov, zvočnih ali slikovnih datotek – v orodje za lov na gene, povezane s CRISPR.

Ko je bil dokončan, je algoritem analiziral zaporedja genov iz bakterij in jih zbral v skupine – podobno kot združevanje barv v mavrico, združevanje podobnih barv skupaj, tako da je lažje najti odtenek, ki ga iščete. Od tu naprej je ekipa izpilila gene, povezane s CRISPR.

Algoritem je prečesal več odprtokodnih baz podatkov, vključno z več sto tisoči genomov bakterij in arhej ter milijoni skrivnostnih zaporedij DNK. Skupaj je pregledal milijarde genov, ki kodirajo beljakovine, in jih združil v približno 500 milijonov skupin. V teh je skupina identificirala 188 genov, ki jih še nihče ni povezal s CRISPR in ki bi lahko sestavljali na tisoče novih sistemov CRISPR.

Dva sistema, razvita iz mikrobov v drobovje živali in črno morje, je uporabil vodilno RNK z 32 bazami namesto običajnih 20, uporabljenih v CRISPR-Cas9. Tako kot iskalna poizvedba, daljša kot je, natančnejši so rezultati. Te daljše vodilne "poizvedbe" RNA kažejo, da bi sistemi lahko imeli manj stranskih učinkov. Drugi sistem je podoben prejšnjemu diagnostičnemu sistemu, ki temelji na CRISPR SHERLOCK, ki lahko hitro zazna posamezno molekulo DNK ali RNK infektivnega napadalca.

Pri testiranju na gojenih človeških celicah bi oba sistema lahko odrezala eno samo verigo ciljnega gena in vstavila majhne genetske sekvence s približno 13-odstotno učinkovitostjo. Ne sliši se veliko, vendar je osnova, ki jo je mogoče izboljšati.

Ekipa je odkrila tudi gene za nov sistem CRISPR, ki cilja na RNA, ki je prej neznana znanosti. Najdeno šele po natančnem pregledu, se zdi, da te različice in vseh, ki jih je treba še odkriti, ni enostavno zajeti z vzorčenjem bakterij po vsem svetu in so zato v naravi izjemno redke.

"Nekateri od teh mikrobnih sistemov so bili izključno najdeni v vodi iz rudnikov premoga," je dejal avtorica študije dr. Soumya Kannan. "Če nekoga to ne bi zanimalo, teh sistemov morda nikoli ne bi videli."

Še vedno je prezgodaj, da bi vedeli, ali je te sisteme mogoče uporabiti pri urejanju človeških genov. Tisti, ki bi naključno sesekljali DNK, bi bili na primer neuporabni za terapevtske namene. Vendar pa lahko umetna inteligenca izkopava obsežno vesolje genetskih podatkov, da najde potencialna zaporedja genov »samoroga« in je zdaj na voljo drugim znanstvenikom za nadaljnje raziskovanje.

Kreditno slike: NIH

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti