צוות מחקר בראשות אוניברסיטת ציריך פיתח שיטה חדשה עוצמתית לעריכת DNA במדויק על ידי שילוב הנדסה גנטית מתקדמת עם אינטליגנציה מלאכותית. טכניקה זו פותחת את הדלת למודלים מדויקים יותר של מחלות אנושיות ומטילה את היסודות לטיפולי הגנים מהדור הבא.
עריכת DNA מדויקת וממוקדת על ידי מוטציות של נקודה קטנה כמו גם שילוב של גנים שלמים באמצעות טכנולוגיית CRISPR/CAS יש פוטנציאל רב ליישומים בביוטכנולוגיה וטיפול גנטי. עם זאת, חשוב מאוד שמה שנקרא "מספריים גנים" לא יגרמו לשינויים גנטיים לא מכוונים, אלא ישמרו על שלמות גנומית כדי להימנע מתופעות לוואי לא מכוונות. בדרך כלל, הפסקות כפולות במולקולת ה- DNA מתוקנות במדויק בבני אדם ובאורגניזמים אחרים. אך לעיתים, סוף ה- DNA הזה המצטרף לתיקון תוצאות בשגיאות גנטיות.
עריכת גנים עם דיוק משופר מאוד
כעת, מדענים מאוניברסיטת ציריך (UZH), אוניברסיטת גנט בבלגיה ו- ETH ציריך פיתחו שיטה חדשה המשפרת מאוד את הדיוק של עריכת הגנום. באמצעות בינה מלאכותית (AI), הכלי שנקרא "פיתיה" מנבא כיצד תאים מתקנים את ה- DNA שלהם לאחר שנחתך על ידי כלים לעריכת גנים כמו CRISPR/CAS9. "הצוות שלנו פיתח תבניות לתיקון DNA זעירות, הפועלות כמו דבק מולקולרי ומנחות את התא לבצע שינויים גנטיים מדויקים", אומר הסופר הראשי תומאס נארט, שחלץ את הטכנולוגיה ב- UZH וכיום הוא פוסט-דוק באוניברסיטת ג'נט.
תבניות מעוצבות AI אלה נבדקו לראשונה בתרבויות תאים אנושיים, שם הם אפשרו עריכות ושילוב גנים מדויקים ביותר. הגישה קיבלה תוקף גם באורגניזמים אחרים, כולל קסנופוסצפרדע טרופית קטנה המשמשת במחקר ביו -רפואי, ובעכברים חיים, בהם החוקרים ערכו בהצלחה DNA בתאי מוח.
AI יכול ללמוד ולחזות דפוסי תיקון DNA
"תיקון DNA עוקב אחר דפוסים; זה לא אקראי. ופיתיה משתמשת בתבניות אלה לטובתנו", אומר נארט. באופן מסורתי, כאשר CRISPR חותך את ה- DNA, מדענים מסתמכים על מנגנוני התיקון הטבעיים של התא כדי לתקן את ההפסקה. בעוד תיקונים אלה עוקבים אחר דפוסים צפויים, הם יכולים לגרום לתוצאות לא רצויות, כמו הרס הגנים הסובבים.
מה שדגמנו בקנה מידה מסיבי הוא שתהליך תיקון ה- DNA הזה מציית לכללים עקביים ש- AI יכול ללמוד ולחזות. "
תומאס נארט, סופר מוביל
עם תובנה זו, החוקרים הדמו מיליוני תוצאות עריכה אפשריות באמצעות למידת מכונות, ושאלו שאלה פשוטה אך עוצמתית: מהי הדרך היעילה ביותר לבצע שינוי קטן ספציפי לגנום, בהתחשב כיצד סביר להניח שהתא לתקן את עצמו?
בנוסף לשינוי אותיות בודדות של הקוד הגנטי או לשלב גן המועבר באופן אקסוגני, ניתן להשתמש בשיטה גם לתייג חלבונים ספציפיים פלואורסצנטיים. "זה חזק להפליא", אומר נארט, "מכיוון שהוא מאפשר לנו להתבונן ישירות באילו חלבונים בודדים עושים ברקמות בריאות וחולות." יתרון נוסף של השיטה החדשה הוא שהוא עובד טוב בכל התאים – אפילו באיברים ללא חלוקת תאים, כמו המוח.
בסיס לפיתוח טיפולי גנים מדויקים
פיתיה נקראת על שם הכוהנת הגדולה של האורקל במקדש אפולו מדלפי בעתיקות, שהתייעצה כדי לחזות את העתיד. באופן דומה, כלי חדש זה מאפשר למדענים לחזות את התוצאות של עריכת גנים בדיוק מדהים. "כמו שמטאורולוגים משתמשים ב- AI כדי לחזות את מזג האוויר, אנו משתמשים בו כדי לחזות כיצד תאים יגיבו להתערבויות גנטיות. סוג כזה של כוח חיוני הוא חיוני אם אנו רוצים שעריכת גנים תהיה בטוחה, אמינה ושימושית קלינית", אומר סורן לינקאמפ, פרופסור במכון לאנטומיה של עוז'ה והאתוריץ 'והסמכתו הבכירה של המחקר.
"מה שמרגש אותנו ביותר הוא לא רק הטכנולוגיה עצמה, אלא גם האפשרויות שהיא נפתחת. פיתיה מפגיש חיזוי AI בקנה מידה גדול עם מערכות ביולוגיות אמיתיות. מתאים מתורבתים לבעלי חיים שלמים, לולאה הדוקה זו בין נקודות דוגמנות לניסוי הופכת להיות שימושית יותר ויותר, למשל בטיפול גנים מדויקים", מוסיף לינקאמפ. עבודה זו יוצרת אפשרויות חדשות להבנת מחלות גנטיות ופיתוח טיפולי גנים, גם למחלות נוירולוגיות, שהן בטוחות יותר ויעילות יותר.
