|
ИИ и технология точного редактирования генов
|
|
|
|
Исследовательская группа, возглавляемая Цюрихским университетом, разработала новый мощный метод точного редактирования ДНК, сочетающий передовые достижения генной инженерии с искусственным интеллектом. Работа была опубликована в журнале Nature Biotechnology. Этот метод открывает двери для более точного моделирования заболеваний человека и закладывает основу для генной терапии следующего поколения.
|
|
|
|
Точное и целенаправленное редактирование ДНК с помощью небольших точечных мутаций, а также интеграция целых генов с помощью технологии CRISPR/Cas имеют большой потенциал для применения в биотехнологии и генной терапии. Однако очень важно, чтобы так называемые "генные ножницы" не вызывали каких-либо непреднамеренных генетических изменений, а сохраняли целостность генома, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов.
|
|
|
|
Как правило, двухцепочечные разрывы в молекуле ДНК у людей и других организмов точно восстанавливаются. Но иногда такое восстановление соединения концов ДНК приводит к генетическим ошибкам.
|
|
|
|
Редактирование генов с повышенной точностью
|
|
|
|
Теперь ученые из Цюрихского университета (UZH), Гентского университета в Бельгии и ETH Zurich разработали новый метод, который значительно повышает точность редактирования генома. Используя искусственный интеллект (ИИ), инструмент под названием "Pythia" предсказывает, как клетки восстанавливают свою ДНК после ее разрезания с помощью инструментов редактирования генов, таких как CRISPR/Cas9.
|
|
|
|
|
|
|
"Наша команда разработала крошечные шаблоны для восстановления ДНК, которые действуют как молекулярный клей и направляют клетку на внесение точных генетических изменений", - говорит ведущий автор Томас Наерт, который был пионером в этой технологии в Ужгороде и в настоящее время является аспирантом в Университете Гента.
|
|
|
|
Эти шаблоны, разработанные с помощью искусственного интеллекта, были впервые протестированы на культурах клеток человека, где они позволили с высокой точностью редактировать и интегрировать гены. Этот подход был также апробирован на других организмах, включая Xenopus, маленькую тропическую лягушку, используемую в биомедицинских исследованиях, и на живых мышах, у которых исследователи успешно отредактировали ДНК в клетках головного мозга.
|
|
|
|
Искусственный интеллект может изучать и предсказывать закономерности репарации ДНК
|
|
|
|
"Восстановление ДНК происходит по определенным схемам, это не случайно. И Pythia использует эти закономерности в своих интересах", - говорит Наерт. Традиционно, когда CRISPR разрезает ДНК, ученые полагаются на естественные механизмы восстановления клетки, чтобы устранить разрыв. Хотя эти репарации происходят по предсказуемым схемам, они могут привести к нежелательным последствиям, таким как разрушение окружающих генов.
|
|
|
|
"Мы смоделировали процесс репарации ДНК в массовом масштабе, чтобы он подчинялся последовательным правилам, которые ИИ может изучить и предсказать", - говорит Наерт.
|
|
|
|
Исходя из этого, исследователи смоделировали миллионы возможных результатов редактирования с помощью машинного обучения, задав простой, но важный вопрос: каков наиболее эффективный способ внести конкретные небольшие изменения в геном, учитывая вероятность самовосстановления клетки?
|
|
|
|
В дополнение к изменению отдельных букв генетического кода или интеграции экзогенно введенного гена, этот метод также может быть использован для флуоресцентного мечения специфических белков.
|
|
|
|
"Это невероятно мощный метод, - говорит Наерт, - поскольку позволяет нам непосредственно наблюдать за работой отдельных белков в здоровых и пораженных тканях". Еще одним преимуществом нового метода является то, что он хорошо работает во всех клетках — даже в органах, где нет клеточного деления, таких как мозг.
|
|
|
|
Основа для разработки точных методов генной терапии
|
|
|
|
Пифия названа в честь верховной жрицы оракула в храме Аполлона Дельфийского в древности, к которой обращались за предсказаниями будущего. Аналогичным образом, этот новый инструмент позволяет ученым с поразительной точностью прогнозировать результаты редактирования генов.
|
|
|
|
"Точно так же, как метеорологи используют искусственный интеллект для прогнозирования погоды, мы используем его для прогнозирования того, как клетки будут реагировать на генетические вмешательства. Такая способность к прогнозированию необходима, если мы хотим, чтобы редактирование генов было безопасным, надежным и клинически полезным", - говорит Серен Лиенкамп, профессор Института анатомии Ужгорода и ETH Цюриха и старший автор исследования.
|
|
|
|
"Что нас больше всего волнует, так это не только сама технология, но и возможности, которые она открывает. Pythia объединяет крупномасштабное прогнозирование с помощью искусственного интеллекта с реальными биологическими системами. От культивируемых клеток до целых животных - эта тесная связь между моделированием и экспериментами становится все более полезной, например, в точной генной терапии", - добавляет Лиенкамп.
|
|
|
|
Эта работа открывает новые возможности для понимания генетических заболеваний и разработки генной терапии, в том числе для лечения неврологических заболеваний, которая является более безопасной и эффективной.
|
|
|
|
Источник
|
