[ad_1]
CRISPR произвел революцию в науке. Искусственный интеллект теперь выводит редакторы генов на новый уровень.
Благодаря способности точно редактировать геномы инструменты CRISPR сейчас широко используются в биотехнологиях и медицине для лечения генетических заболеваний. В конце 2023 года одно использование Лауреат Нобелевской премии Средство одобрено FDA для лечения серповидноклеточной анемии. CRISPR также позволяет использовать CAR-T-клеточную терапию для борьбы с раком и используется в клинических испытаниях для снижения опасно высокого уровня холестерина.
Помимо медицины, инструменты CRISPR меняют лицо сельского хозяйства: реализуются инженерные проекты по созданию безрогих быков, Питательные помидорыи домашний скот и рыба Иметь больше мышечной массы.
Несмотря на свое реальное влияние, CRISPR не идеален. Инструмент разрезает две нити ДНК, что может привести к опасным мутациям. Он также может непреднамеренно защемить нежелательные участки генома и вызвать непредсказуемые побочные эффекты.
Первоначально CRISPR был обнаружен у бактерий как защитный механизм, что позволяет предположить, что в природе скрыто большое количество компонентов CRISPR. За последнее десятилетие ученые исследовали различные природные среды, например, прудовую пену, чтобы найти дополнительные версии инструмента, которые могли бы повысить его эффективность и точность. Хотя эта стратегия успешна, она зависит от условий Матери-Природы. Некоторые преимущества, такие как меньший размер или более длительный срок службы in vivo, часто сопровождаются компромиссами, такими как более низкая активность или точность.
Можем ли мы быстро разработать более совершенные инструменты CRISPR с помощью искусственного интеллекта, а не полагаться на эволюцию?
На этой неделе, они будут течькалифорнийский стартап, разработал стратегию Использование ИИ, чтобы представить новый мир редактирования генов CRISPR. На основе больших языковых моделей (технологии, лежащей в основе популярного ChatGPT) искусственный интеллект разработал несколько новых компонентов редактирования генов.
В клетках человека эти компоненты объединяются для надежного редактирования генов-мишеней. Эффективность сравнима с классическим CRISPR, но точность выше. Самый многообещающий редактор под названием OpenCRISPR-1 также может точно заменять отдельные буквы ДНК (метод, называемый базовым редактированием) с точностью, сравнимой с нынешними инструментами.
«Мы продемонстрировали первое в мире успешное редактирование генома человека с использованием системы редактирования генов, в которой каждый компонент был полностью разработан искусственным интеллектом», написал Автор в блоге.
Матч, заключенный на небесах
CRISPR и AI связывают давнюю дружбу.
Рецепт CRISPR состоит из двух основных частей: «ножницы» Cas-белки, которые разрезают или разрезают геном, и «гончая» РНК-проводница, которая соединяет ножницы-белки с целевыми генами.
Изменяя эти компоненты, система становится набором инструментов, каждая настройка которого настроена для выполнения определенного типа редактирования генов. Некоторые белки Cas разрезают обе нити ДНК; другие разрывают только волос. Альтернативные версии также могут разрезать РНК — тип генетического материала, обнаруженного в вирусах, — и могут использоваться в качестве диагностических инструментов или противовирусных методов лечения.
Различные версии белков Cas обычно обнаруживаются путем поиска в естественной среде или в ходе процесса, называемого прямой эволюцией. Здесь ученые рационально заменили части белка Cas, чтобы потенциально повысить эффективность.
Это очень трудоемкий процесс. Здесь в игру вступает искусственный интеллект.
Машинное обучение уже помогает Прогнозирование нецелевых эффектов В инструментах CRISPR.Это тоже размещен в Меньшие белки Cas облегчают доставку небольших редакторов в клетки.
Profluence использует искусственный интеллект новым способом: вместо расширения существующей системы они разрабатывают компоненты CRISPR с нуля, используя большие языковые модели.
Эти модели, основанные на ChatGPT и DALL-E, сделали искусственный интеллект массовым явлением. Они учатся на огромном количестве текста, изображений, музыки и других материалов, выявляя закономерности и концепции. Таким образом алгоритмы могут генерировать изображения на основе одной текстовой подсказки (например, «Единорог в солнечных очках, танцующий на радуге») или имитировать музыкальный стиль конкретного исполнителя.
Эта же технология изменила мир дизайна белков. Подобно словам в книге, белки состоят из отдельных молекулярных «букв», связанных в цепочки, которые затем складываются определенным образом, позволяя белку функционировать.Внедрив белковые последовательности в искусственный интеллект, ученые добились Образуются антитела и другие функциональные белки, неизвестные в природе.
«Крупномасштабные модели генеративного белкового языка отражают основную схему функции нативного белка», написал Команда в сообщении в блоге. «Они обещают сократить стохастические эволюционные процессы, подталкивая нас к целенаправленной разработке белков для конкретных целей».
Будет ли искусственный интеллект мечтать об овцах CRISPR?
Все большие языковые модели требуют данных для обучения искусственного интеллекта. То же самое касается алгоритмов, генерирующих редакторы генов. В отличие от текста, изображений или видео, которые можно легко найти в Интернете, репозитории CRISPR найти труднее.
Команда начала с анализа более 26 терабайт данных о существующих системах CRISPR и создания самого обширного на сегодняшний день атласа CRISPR-Cas.
Поиск выявил миллионы компонентов CRISPR-Cas.Затем команда обучила их Языковая модель ProGen2— Точная настройка обнаружения белков с использованием атласов CRISPR.
В конечном итоге ИИ создал 4 миллиона белковых последовательностей с потенциальной активностью Cas. После использования другой компьютерной программы для фильтрации очевидных мошенников команда сосредоточилась на новой вселенной «белковых ножниц» Каса.
Алгоритм думает не только о таких белках, как Cas9. Белки Cas разделены на несколько семейств, каждое из которых имеет свои особенности с точки зрения возможностей редактирования генов. ИИ также разработал белки, похожие на Cas13 (который нацелен на РНК) и Cas12a (который более компактен, чем Cas9).
В целом эти результаты расширяют круг потенциальных Cas-белков почти в пять раз. Но работает ли кто-нибудь из них?
Привет, мир CRISPR
В следующих тестах команда сосредоточится на Cas9, поскольку он уже широко используется в биомедицине и других областях. Они обучили примерно 240 000 различных белковых структур Cas9 от различных животных с целью производства аналогичных белков, которые заменят нативные белки, но с большей эффективностью и точностью.
Первоначальные результаты оказались неожиданными: полученные последовательности (их около миллиона) полностью отличались от нативного белка Cas9. Но, используя AlphaFold2 компании DeepMind, искусственный интеллект для предсказания структуры белков, команда обнаружила, что сгенерированные последовательности белков могут принимать схожие формы.
Без проводника гончей РНК белки Cas не могут функционировать. Используя картирование CRISPR-Cas, команда также обучила искусственный интеллект генерировать направляющие РНК с учетом последовательности белка.
Результатом стал разработанный ИИ редактор генов CRISPR, который содержит два компонента: белок Cas и проводник РНК. При тестировании на культивируемых клетках почек человека его активность по редактированию генов, названная OpenCRISPR-1, была аналогична классической системе CRISPR-Cas9. Удивительно, но версия, созданная искусственным интеллектом, сократила количество нецелевых изменений примерно на 95%.
С некоторыми изменениями OpenCRISPR-1 также может выполнять базовое редактирование, что позволяет изменять отдельные буквы ДНК. Редактирование базы может быть более точным, чем классический CRISPR, поскольку оно ограничивает повреждение генома. В клетках почек человека OpenCRISPR-1 надежно конвертировал одну букву ДНК в другую в трех участках генома со скоростью, аналогичной скорости современных редакторов оснований.
Чтобы внести ясность: инструменты CRISPR, созданные ИИ, тестировались только на клетках в чашке. Чтобы лекарства попали в клинику, их необходимо тщательно протестировать на безопасность и эффективность на живых организмах, что может занять много времени.
Profluence публично делится OpenCRISPR-1 с исследователями и коммерческим сообществом, но оставляет искусственный интеллект, создавший его, у себя. «Мы публично выпускаем OpenCRISPR-1, чтобы способствовать широкому и этичному использованию в исследованиях и коммерческих приложениях», — написали они.
В качестве препринта статья, описывающая их работу, еще не анализировалась экспертами-рецензентами. Ученые также должны доказать, что OpenCRISPR-1 или его варианты работают на различных организмах, включая растения, мышей и людей. Но что удивительно, эти результаты открывают новые возможности для создания искусственного интеллекта, которые могут фундаментально изменить нашу генетическую программу.
Источник изображения: они будут течь
[ad_2]