هوش مصنوعی رازهای دستور زبان DNA را برای ویرایش دقیق ژن باز می‌کند، افق جدیدی می‌گشاید

پژوهشگران در آزمایشگاه جکسون (JAX)، موسسه براد MIT و هاروارد، و دانشگاه ییل به یک کشف مهم در کنترل ژن از طریق هوش مصنوعی (AI) دست یافته‌اند.

روش نوآورانه از AI برای طراحی سوییچ‌های DNA مصنوعی، معروف به عناصر تنظیمی سیس (CREs)، استفاده می‌کند که می‌توانند فعالیت ژن را در بافت‌ها یا نوع خاصی از سلول‌ها به دقت تنظیم کنند.

ابزار دقیق برای کنترل ژن

چالشی کلیدی در مهندسی ژنتیک همواره توانایی کنترل مکان و زمان ابراز ژن‌ها در موجودات زنده بوده است. در حالی که فناوری‌های ویرایش ژن مانند CRISPR تغییر ژن‌ها را آسان‌تر کرده‌اند، تضمین این که این تغییرات فقط بر بافت‌ها یا سلول‌های مورد نظر تأثیر بگذارند دشوار بوده است.

تیم پشت این مطالعه به دنبال حل این مسئله با ایجاد توالی‌های مصنوعی DNA که به عنوان سوییچ‌های دقیق روشن-خاموش برای ابراز ژن عمل می‌کنند، بوده است و بنابراین کنترل بیشتری بر مداخلات ژنتیکی فراهم می‌آورد.

رایان تویی، نویسنده مشترک ارشد این مطالعه گفت: “آنچه که این عناصر طراحی شده مصنوعی را خاص کرده، این است که آنها نشان دهنده ویژگی‌های قابل توجهی برای نوع سلول هدف هستند که برای آن طراحی شده‌اند.”

“این فرصت را برای ما ایجاد می‌کند تا ابراز یک ژن را در فقط یک بافت بالا یا پایین بیاوریم بدون اینکه بر بقیه بدن تأثیر بگذاریم.”

درک دستور زبان DNA در CREها

هر سلول در بدن دارای کد ژنتیک یکسانی است، اما همه ژن‌ها در هر سلول فعال نیستند. عناصر تنظیمی DNA، مانند CREها، به عنوان سوئیچ‌های کنترلی عمل می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که ژن‌های صحیح در سلول‌های صحیح در زمان صحیح فعال می‌شوند.

با این حال، چالش این بوده که "دستور زبان" این توالی‌ها- درک قوانینی که تعیین می‌کنند چگونه کار می‌کنند- رمزگشایی شود.

برای عبور از این مانع، تیم از یادگیری عمیق، یک شاخه از AI، استفاده کرده تا مدلی توسعه دهد که قادر به پیش‌بینی فعالیت CRE باشد. با تجزیه و تحلیل اطلاعات گسترده DNA، مدل AI توانست الگوهایی را که انسان‌ها به آسانی نمی‌توانستند تشخیص دهند کشف کند.

نتایج به پژوهشگران اجازه داد بهتر بفهمند چگونه چیدمان توالی‌ها درون CREها بر فعال‌سازی ژن تأثیر می‌گذارد و مسیری برای طراحی CREهای مصنوعی با عملکردهای بسیار خاص فراهم آورد.

با استفاده از سکوی موسوم به CODA (بهینه‌سازی محاسباتی فعالیت DNA)، پژوهشگران توانستند هزاران CRE جدید طراحی کنند که می‌توانند ابراز ژن را در انواع سلول‌های منتخبی کنترول کنند.

آزمایش سیستم در موجودات زنده

جهت تأیید عملکرد CREهای طراحی شده توسط AI، تیم آزمایش‌هایی را در مدل‌های حیوانی از جمله ماهی‌های گورخری و موش‌ها انجام داد. در یک مثال چشمگیر، یک CRE مصنوعی موفق شد پروتئین فلوروسنت را در کبدهای ماهی‌های گورخری در حال رشد فعال کند اما در هیچ جای دیگر بدن فعال نشد.

این سطح از دقت می‌تواند یک نقطه عطف برای درمان‌هایی باشد که نیاز به ابراز ژن در یک بافت خاص دارند، بدون تأثیر بر سایر نقاط.

با ارائه کنترل بیشتر بر مکان و زمان فعال شدن ژن‌ها ، این CREهای طراحی شده توسط AI می‌توانند به طور بالقوه در کاربردهای درمانی متنوعی استفاده شوند، از درمان بیماری‌های ژنتیکی گرفته تا بهینه‌سازی بازسازی بافت.

با رشد این روش توانمندسازی شده توسط AI برای طراحی CREها، امکانات بی‌پایان است. فراتر از تحقیقات پایه، این سوئیچ‌های مصنوعی DNA می‌توانند در بیومانتفکچرینگ یا برای توسعه درمان‌های پیشرفته به کار روند که روش‌های مؤثرتری برای تغییر ژن‌ها با دقت بی‌سابقه فراهم کنند.

تویی در بیانیه مطبوعاتی گفت: “این فناوری راه را به سوی نگارش عناصر تنظیمی جدید با عملکردهای از پیش تعریف شده هموار می‌کند. چنین ابزار هایی ارزشمند در تحقیقات پایه خواهند بود، اما می‌توانند آثار زیست‌پزشکی قابل‌توجهی نیز داشته باشند که می‌توانید از این عناصر برای کنترل ابراز ژن در انواع سلول بسیار خاص برای مصارف درمانی استفاده کنید.”

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.