Ta AI je pravkar iz nič zasnoval natančnejši urejevalnik genov CRISPR za človeške celice

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Ta umetna inteligenca je pravkar iz nič zasnovala natančnejši urejevalnik genov CRISPR za človeške celice PlatoBlockchain Data Intelligence. Navpično iskanje. Ai.

CRISPR je revolucioniral znanost. AI zdaj popelje urejevalnik genov na naslednjo raven.

Zahvaljujoč zmožnosti natančnega urejanja genoma se orodja CRISPR zdaj pogosto uporabljajo v biotehnologiji in medicini za boj proti dednim boleznim. Konec leta 2023 je bila uvedena terapija z uporabo Nobelov nagrajenec orodje je pridobilo odobritev FDA za zdravljenje bolezni srpastih celic. Omogočen je tudi CRISPR CAR T-celična terapija za boj proti raku in bil navajen znižati nevarno visoke ravni holesterola v kliničnih preskušanjih.

Zunaj medicine so orodja CRISPR spreminjanje kmetijske krajine, s projekti v teku za inženirja biki brez rogov, s hranili bogat paradižnikin živino in ribe z več mišične mase.

Kljub vplivu v resničnem svetu CRISPR ni popoln. Orodje odreže obe verigi DNK, kar lahko povzroči nevarne mutacije. Prav tako lahko nehote ugrizne nenamerna področja genoma in sproži nepredvidljive stranske učinke.

CRISPR je bil prvič odkrit v bakterijah kot obrambni mehanizem, kar kaže na to, da narava skriva veliko komponent CRISPR. V preteklem desetletju so znanstveniki pregledovali različna naravna okolja – na primer pene iz ribnikov – da bi našli druge različice orodja, ki bi lahko povečale njegovo učinkovitost in natančnost. Čeprav je ta strategija uspešna, je odvisna od tega, kaj ponuja narava. Nekatere prednosti, kot je manjša velikost ali daljša življenjska doba v telesu, pogosto prihajajo s kompromisi, kot sta manjša aktivnost ali natančnost.

Ali lahko namesto zanašanja na evolucijo pospešimo boljša orodja CRISPR z AI?

Ta teden, Protočno, startup s sedežem v Kaliforniji, začrtal strategijo ki uporablja AI za ustvarjanje novega vesolja urejevalnikov genov CRISPR. Na podlagi velikih jezikovnih modelov – tehnologije, ki stoji za priljubljenim ChatGPT – je umetna inteligenca zasnovala več novih komponent za urejanje genov.

V človeških celicah so se komponente med seboj povezale za zanesljivo urejanje ciljnih genov. Učinkovitost je enaka klasičnemu CRISPR, vendar z veliko večjo natančnostjo. Najbolj obetaven urejevalnik, imenovan OpenCRISPR-1, bi lahko tudi natančno zamenjal posamezne črke DNK – tehnologijo, imenovano osnovno urejanje – z natančnostjo, ki tekmuje s sedanjimi orodji.

"Demonstriramo prvo uspešno urejanje človeškega genoma na svetu z uporabo sistema za urejanje genov, kjer vsako komponento v celoti oblikuje AI," Napisal avtorja v objavi na blogu.

Ujemanje Made in Heaven

CRISPR in AI sta imela dolgo romanco.

Recept CRISPR ima dva glavna dela: "škarjasti" protein Cas, ki reže ali zareže genom, in vodnik RNK "krvosledca", ki priveže škarjasti protein na ciljni gen.

S spreminjanjem teh komponent sistem postane škatla z orodji, pri čemer je vsaka nastavitev prilagojena za izvajanje posebne vrste urejanja genov. Nekateri proteini Cas prerežejo obe verigi DNA; drugi na hitro odrežejo samo en pramen. Alternativne različice lahko tudi razrežejo RNA, vrsto genetskega materiala, ki ga najdemo v virusih, in se lahko uporabljajo kot diagnostična orodja ali protivirusna zdravljenja.

Različne različice proteinov Cas se pogosto najdejo z iskanjem v naravnih okoljih ali skozi proces, imenovan neposredna evolucija. Tukaj je znanstvenik racionalno zamenjal nekatere dele proteina Cas, da bi potencialno povečal učinkovitost.

To je zelo dolgotrajen proces. Tu nastopi AI.

Strojno učenje je že pomagalo napovedati neciljne učinke v orodjih CRISPR. Prav tako je domoval na manjših proteinih Cas, da bi zmanjšane urednike lažje dostavili v celice.

Profluent je umetno inteligenco uporabil na nov način: namesto da bi okrepili trenutne sisteme, so komponente CRISPR zasnovali iz nič z uporabo velikih jezikovnih modelov.

Ti modeli, ki so osnova ChatGPT in DALL-E, so umetno inteligenco lansirali v mainstream. Učijo se iz ogromnih količin besedila, slik, glasbe in drugih podatkov za destilacijo vzorcev in konceptov. Tako algoritmi ustvarijo slike iz enega samega besedilnega poziva – recimo »samorog s sončnimi očali, ki plešejo nad mavrico« – ali posnemajo glasbeni slog danega izvajalca.

Ista tehnologija ima tudi spremenil svet oblikovanja beljakovin. Kot besede v knjigi so tudi proteini nanizani iz posameznih molekularnih »črk« v verige, ki se nato zložijo na posebne načine, da omogočijo delovanje proteinov. Znanstveniki so z vnosom beljakovinskih zaporedij v AI že oblikovana protitelesa in drugih funkcionalne beljakovine, ki jih narava ne pozna.

"Veliki generativni proteinski jezikovni modeli zajamejo temeljni načrt tega, kar naredi naravno beljakovino funkcionalno," Napisal ekipa v objavi v blogu. "Obljubljajo bližnjico za obhod naključnega procesa evolucije in nas premaknejo k namernemu oblikovanju beljakovin za določen namen."

Ali umetna inteligenca sanja o ovcah CRISPR?

Vsi veliki jezikovni modeli potrebujejo podatke za usposabljanje. Enako velja za algoritem, ki generira urejevalnike genov. Za razliko od besedila, slik ali videoposnetkov, ki jih je mogoče preprosto postrgati na spletu, je bazo podatkov CRISPR težje najti.

Ekipa je najprej pregledala več kot 26 terabajtov podatkov o trenutnih sistemih CRISPR in izdelala atlas CRISPR-Cas – po mnenju raziskovalcev najobsežnejši doslej.

Iskanje je razkrilo milijone komponent CRISPR-Cas. Ekipa je nato trenirala svoje Jezikovni model ProGen2- ki je bil natančno prilagojen za odkrivanje beljakovin - z uporabo atlasa CRISPR.

Umetna inteligenca je na koncu ustvarila štiri milijone beljakovinskih sekvenc s potencialno aktivnostjo Cas. Po filtriranju očitnih zapletov z drugim računalniškim programom se je ekipa posvetila novemu vesolju Casovih »proteinskih škarij«.

Algoritem ni le izmislil beljakovin, kot je Cas9. Proteini Cas prihajajo v družinah, vsaka s svojimi posebnostmi v zmožnosti urejanja genov. Umetna inteligenca je oblikovala tudi proteine, ki spominjajo na Cas13, ki cilja na RNA, in Cas12a, ki je kompaktnejši od Cas9.

Na splošno so rezultati razširili vesolje potencialnih proteinov Cas skoraj petkrat. Toda ali kateri od njih deluje?

Pozdravljeni, svet CRISPR

Za naslednji test se je ekipa osredotočila na Cas9, ker se že pogosto uporablja v biomedicini in na drugih področjih. Umetno inteligenco so usposobili na približno 240,000 različnih proteinskih strukturah Cas9 iz več vrst živali, s ciljem ustvariti podobne beljakovine, ki bi nadomestile naravne – vendar z večjo učinkovitostjo ali natančnostjo.

Začetni rezultati so bili presenetljivi: ustvarjena zaporedja, približno milijon teh, so bila popolnoma drugačna od naravnih proteinov Cas9. Toda z uporabo DeepMindovega AlphaFold2, umetne inteligence za napoved strukture proteinov, je ekipa ugotovila, da bi lahko ustvarjene beljakovinske sekvence sprejele podobne oblike.

Cas proteini ne morejo delovati brez vodnika RNK krvosledca. Z atlasom CRISPR-Cas je ekipa tudi usposobila AI za ustvarjanje vodnika RNA, ko je dobila zaporedje beljakovin.

Rezultat je urejevalnik genov CRISPR z obema komponentama – proteinom Cas in vodnikom RNA – ki ga je zasnoval AI. Njegova dejavnost urejanja genov, imenovana OpenCRISPR-1, je bila podobna klasičnim sistemom CRISPR-Cas9, ko so jih testirali na gojenih človeških ledvičnih celicah. Presenetljivo je, da je različica, ustvarjena z umetno inteligenco, zmanjšala urejanje, ki ni ciljno, za približno 95 odstotkov.

Z nekaj prilagoditvami bi lahko OpenCRISPR-1 izvedel tudi osnovno urejanje, ki lahko spremeni posamezne črke DNK. V primerjavi s klasičnim CRISPR je urejanje baze verjetno bolj natančno, saj omejuje poškodbe genoma. V človeških ledvičnih celicah je OpenCRISPR-1 zanesljivo pretvoril eno črko DNK v drugo na treh mestih v genomu, s stopnjo urejanja, podobno trenutnim osnovnim urejevalnikom.

Če želite biti jasni, so bila orodja CRISPR, ki jih je ustvarila umetna inteligenca, testirana le v celicah v posodi. Da bi zdravljenje doseglo kliniko, bi morali skrbno testirati varnost in učinkovitost pri živih bitjih, kar lahko traja dolgo časa.

Profluent odprto deli OpenCRISPR-1 z raziskovalci in komercialnimi skupinami, vendar ohranja AI, ki je ustvaril orodje, v podjetju. "OpenCRISPR-1 izdamo javno, da olajšamo široko, etično uporabo v raziskovalnih in komercialnih aplikacijah," so zapisali.

Kot prednatis morajo članek, ki opisuje njihovo delo, še analizirati strokovni recenzenti. Znanstveniki bodo morali tudi pokazati, da OpenCRISPR-1 ali njegove različice delujejo v več organizmih, vključno z rastlinami, mišmi in ljudmi. Toda presenetljivo je, da rezultati odpirajo novo pot za generativno umetno inteligenco – tisto, ki bi lahko temeljito spremenila naš genetski načrt.

Kreditno slike: Protočno