เครื่องมือ AI เพิ่งเปิดเผยระบบใหม่เกือบ 200 ระบบสำหรับการแก้ไขยีน CRISPR

CRISPR มีปัญหา: ความลำบากใจในความร่ำรวย

นับตั้งแต่ระบบตัดต่อยีนเริ่มมีชื่อเสียง นักวิทยาศาสตร์ก็ได้มองหาตัวแปรที่มีความแม่นยำและแม่นยำยิ่งขึ้น

วิธีการค้นหาวิธีหนึ่งจะตรวจหายีนที่เกี่ยวข้องกับ CRISPR-Cas9 ใน DNA ของแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ อีกองค์ประกอบหนึ่งพัฒนาส่วนประกอบ CRISPR เทียมในห้องปฏิบัติการเพื่อให้มีคุณสมบัติในการรักษาที่ดีขึ้น เช่น ความเสถียร ความปลอดภัย และประสิทธิภาพภายในร่างกายมนุษย์ที่มากขึ้น

ข้อมูลนี้ถูกจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลที่มีลำดับพันธุกรรมนับพันล้านลำดับ แม้ว่าอาจมีระบบ CRISPR ที่แปลกใหม่ซ่อนอยู่ในไลบรารีเหล่านี้ แต่ก็มีรายการให้ค้นหามากเกินไป

ในเดือนนี้ ทีมงานที่ MIT และ Harvard นำโดย Dr. Feng Zhang ผู้บุกเบิก CRISPR ได้รับแรงบันดาลใจจากแนวทางข้อมูลขนาดใหญ่ที่มีอยู่ และใช้ AI เพื่อจำกัดขอบเขตลำดับทางพันธุกรรมให้เหลือเพียงหยิบมือเดียวที่คล้ายกับระบบ CRISPR ที่รู้จัก

AI สำรวจฐานข้อมูลโอเพ่นซอร์สด้วยจีโนมจากแบคทีเรียที่ไม่ธรรมดา รวมถึงที่พบในโรงเบียร์ เหมืองถ่านหิน ชายฝั่งแอนตาร์กติกที่มีอากาศหนาวเย็น และ (ล้อเล่น) น้ำลายของสุนัข

ในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ อัลกอริธึมสามารถระบุ "ชิ้นส่วน" ทางชีวภาพใหม่ๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้หลายพันชิ้น ซึ่งสามารถสร้างระบบที่ใช้ CRISPR ใหม่ได้ 188 ระบบ รวมถึงบางส่วนที่หายากอย่างยิ่ง

ผู้สมัครใหม่หลายคนโดดเด่น ตัวอย่างเช่น บางตัวสามารถล็อคยีนเป้าหมายได้แม่นยำยิ่งขึ้นเพื่อแก้ไขโดยมีผลข้างเคียงน้อยลง รูปแบบอื่นๆ ไม่สามารถใช้งานได้โดยตรง แต่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบ CRISPR ที่มีอยู่ ตัวอย่างเช่น การกำหนดเป้าหมาย RNA ซึ่งเป็นโมเลกุล "ผู้ส่งสาร" ที่ควบคุมเซลล์เพื่อสร้างโปรตีนจาก DNA

“ความหลากหลายทางชีวภาพเป็นขุมสมบัติ” กล่าวว่า จาง. “การวิเคราะห์แบบนี้ทำให้เราสามารถฆ่านกสองตัวด้วยหินนัดเดียว ทั้งศึกษาชีววิทยาและอาจพบสิ่งที่มีประโยชน์ด้วย” เขา ที่เพิ่ม.

ล่าสัตว์ป่า

แม้ว่า CRISPR จะขึ้นชื่อในด้านความสามารถในการแก้ไขยีนในมนุษย์ แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบระบบนี้ในแบคทีเรียเป็นครั้งแรกเพื่อต่อสู้กับการติดเชื้อไวรัส

นักวิทยาศาสตร์ได้เก็บตัวอย่างแบคทีเรียจากซอกมุมต่างๆ ทั่วโลกมาเป็นเวลานาน ต้องขอบคุณการจัดลำดับ DNA ที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเหล่านี้จำนวนมาก - บางส่วนจากแหล่งที่ไม่คาดคิด เช่น ขยะในบ่อ - ได้รับการแมปพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมและฝากไว้ในฐานข้อมูล

Zhang ไม่ใช่คนแปลกหน้าในการตามล่าหาระบบ CRISPR ใหม่ “เมื่อหลายปีก่อน เราเริ่มถามว่า 'มีอะไรนอกเหนือจาก CRISPR และมีระบบ RNA อื่นๆ ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ตามธรรมชาติหรือไม่'” Zhang บอก ข่าว MIT ปีก่อนหน้านี้

CRISPR ประกอบด้วยสองโครงสร้าง หนึ่งคือลำดับ RNA นำทาง "บลัดฮาวด์" ซึ่งโดยปกติจะมีความยาวประมาณ 20 เบสซึ่งมุ่งเป้าไปที่ยีนเฉพาะ อีกอันคือโปรตีนแคสที่มีลักษณะคล้ายกรรไกร เมื่อเข้าไปในห้องขัง บลัดฮาวด์จะพบเป้าหมาย และกรรไกรจะตัดยีน ระบบเวอร์ชันล่าสุด เช่น การแก้ไขฐาน หรือ แก้ไขเบื้องต้นใช้โปรตีน Cas ประเภทต่างๆ เพื่อทำการแลกเปลี่ยน DNA ด้วยตัวอักษรเดี่ยว หรือแม้แต่แก้ไขเป้าหมาย RNA

ย้อนกลับไปใน 2021ห้องทดลองของ Zhang ติดตามต้นกำเนิดของลำดับวงศ์ตระกูล CRISPR และระบุวงศ์ตระกูลใหม่ทั้งหมด ระบบเหล่านี้ซึ่งมีชื่อเรียกว่า OMEGA ใช้อาร์เอ็นเอนำทางต่างประเทศและกรรไกรตัดโปรตีน แต่ก็ยังสามารถตัด DNA ในเซลล์ของมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงในจานเพาะเชื้อได้อย่างง่ายดาย

ล่าสุดทางทีมงาน ขยายการค้นหาของพวกเขา สู่สาขาใหม่ของชีวิต: ยูคาริโอต สมาชิกในครอบครัวนี้ รวมถึงพืช สัตว์ และมนุษย์ มี DNA ที่ถูกห่อหุ้มไว้อย่างแน่นหนาในโครงสร้างคล้ายถั่ว ในทางตรงกันข้าม แบคทีเรียไม่มีโครงสร้างเหล่านี้ ด้วยการคัดกรองเชื้อรา สาหร่าย และหอย (ใช่แล้ว ความหลากหลายทางชีวภาพนั้นแปลกและยอดเยี่ยม) ทีมงานพบโปรตีนที่พวกเขาเรียกว่า Fanzors ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมใหม่เพื่อแก้ไข DNA ของมนุษย์ได้ ซึ่งเป็นข้อพิสูจน์แรกว่ากลไกคล้าย CRISPR มีอยู่ในยูคาริโอตด้วย

แต่เป้าหมายไม่ใช่การตามหานักตัดต่อยีนหน้าใหม่เพียงเพื่อประโยชน์ของมัน แต่เป็นการใช้ประโยชน์จากความสามารถในการแก้ไขยีนของธรรมชาติเพื่อสร้างกลุ่มโปรแกรมแก้ไขยีน ซึ่งแต่ละตัวมีจุดแข็งของตัวเอง ที่สามารถรักษาความผิดปกติทางพันธุกรรม และช่วยให้เราเข้าใจการทำงานภายในร่างกายของเรา

โดยรวมแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบระบบ CRISPR หลัก XNUMX ระบบ บางแห่งทำงานร่วมกับเอนไซม์ Cas ที่แตกต่างกัน เป็นต้น ในขณะที่ระบบอื่นๆ เชี่ยวชาญด้าน DNA หรือ RNA

“ธรรมชาตินั้นมหัศจรรย์มาก มีความหลากหลายมาก” จาง กล่าวว่า. “อาจมีระบบที่สามารถตั้งโปรแกรม RNA ได้มากกว่านี้ และเรากำลังสำรวจต่อไปและหวังว่าจะค้นพบเพิ่มเติมอีก”

สแครบเบิลวิศวกรรมชีวภาพ

นั่นคือสิ่งที่ทีมงานสร้าง AI ใหม่ที่เรียกว่า FLSHclust ขึ้นมา พวกเขาเปลี่ยนเทคโนโลยีที่วิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่จนน่าสับสน เช่น ซอฟต์แวร์ที่เน้นความคล้ายคลึงกันในไฟล์เอกสาร เสียง หรือรูปภาพจำนวนมาก ให้มาเป็นเครื่องมือในการค้นหายีนที่เกี่ยวข้องกับ CRISPR

เมื่อเสร็จแล้ว อัลกอริธึมจะวิเคราะห์ลำดับยีนจากแบคทีเรียและรวบรวมพวกมันออกเป็นกลุ่มๆ เช่นเดียวกับการรวมกลุ่มสีให้เป็นสายรุ้ง โดยจัดกลุ่มสีที่คล้ายกันเข้าด้วยกัน เพื่อให้ง่ายต่อการค้นหาเฉดสีที่คุณต้องการ จากที่นี่ ทีมงานได้ฝึกฝนยีนที่เกี่ยวข้องกับ CRISPR

อัลกอริธึมนี้รวมฐานข้อมูลโอเพ่นซอร์สหลายแห่ง รวมถึงจีโนมนับแสนจากแบคทีเรียและอาร์เคีย และลำดับดีเอ็นเอลึกลับหลายล้านลำดับ โดยทั้งหมดจะสแกนยีนที่เข้ารหัสโปรตีนหลายพันล้านยีนและจัดกลุ่มออกเป็นประมาณ 500 ล้านคลัสเตอร์ ในรายงานเหล่านี้ ทีมงานได้ระบุยีน 188 ยีนที่ยังไม่มีใครเกี่ยวข้องกับ CRISPR และนั่นอาจสร้างระบบ CRISPR ใหม่นับพันระบบได้

สองระบบที่พัฒนามาจากจุลินทรีย์ใน ความกล้า ของสัตว์และ ทะเลดำใช้ RNA นำทาง 32 ฐานแทน 20 ตามปกติที่ใช้ใน CRISPR-Cas9 เช่นเดียวกับคำค้นหา ยิ่งยาว ผลลัพธ์ก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้น “คำค้นหา” RNA ที่แนะนำอีกต่อไปเหล่านี้แนะนำว่าระบบอาจมีผลข้างเคียงน้อยลง อีกระบบหนึ่งก็เหมือนกับระบบวินิจฉัยที่ใช้ CRISPR ก่อนหน้านี้ที่เรียกว่า เชอร์ล็อคซึ่งสามารถรับรู้โมเลกุล DNA หรือ RNA เดี่ยวๆ จากผู้บุกรุกที่ติดเชื้อได้อย่างรวดเร็ว

เมื่อทดสอบในเซลล์ของมนุษย์ที่เพาะเลี้ยง ทั้งสองระบบสามารถตัดยีนเป้าหมายเพียงเส้นเดียวและแทรกลำดับพันธุกรรมเล็กๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพประมาณ 13 เปอร์เซ็นต์ ฟังดูเหมือนไม่มีอะไรมาก แต่เป็นพื้นฐานที่สามารถปรับปรุงได้

ทีมงานยังได้ค้นพบยีนสำหรับระบบ CRISPR ใหม่ที่มีเป้าหมายไปที่ RNA ซึ่งวิทยาศาสตร์ไม่เคยรู้จักมาก่อน พบหลังจากการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเท่านั้น ดูเหมือนว่าเวอร์ชันนี้และเวอร์ชันที่ยังรอการค้นพบไม่สามารถจับได้ง่ายโดยการสุ่มตัวอย่างแบคทีเรียทั่วโลก และด้วยเหตุนี้จึงหาได้ยากในธรรมชาติ

“ระบบจุลินทรีย์บางส่วนพบได้เฉพาะในน้ำจากเหมืองถ่านหิน” กล่าวว่า ผู้เขียนงานวิจัย ดร.โสมยา กันนันท์ “ถ้าใครไม่สนใจเรื่องนั้น เราอาจไม่เคยเห็นระบบเหล่านั้นมาก่อน”

ยังเร็วเกินไปที่จะทราบว่าระบบเหล่านี้สามารถนำมาใช้ในการแก้ไขยีนของมนุษย์ได้หรือไม่ ตัวอย่างเช่น พวกที่สุ่มสับ DNA จะไม่มีประโยชน์สำหรับวัตถุประสงค์ในการรักษา อย่างไรก็ตาม AI สามารถขุดค้นข้อมูลทางพันธุกรรมในจักรวาลอันกว้างใหญ่เพื่อค้นหาลำดับยีน "ยูนิคอร์น" ที่เป็นไปได้ และขณะนี้นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ สามารถนำไปใช้ในการสำรวจเพิ่มเติมได้

เครดิตภาพ: NIH

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2023/11/27/an-ai-tool-just-revealed-almost-200-new-systems-for-crispr-gene-editing/