В последнее десятилетие технология CRISPR-CAS9 зарекомендовала себя как самый революционный инструмент для генетического редактирования. Это обеспечивает точное разрезание и модифицировать последовательности ДНК, что обеспечивает беспрецедентные возможности для лечения наследственных заболеваний, рака, вирусных инфекций и ряда других состояний. Однако, несмотря на его огромный потенциал, традиционные системы CRISPR-CAS9 ограничены важными факторами, такими как наличие подходящей PAM (Протоспасер соседнего мотива) последовательность и риск бокового (Вне цели) эффекты.
Пэм (Протоспасер соседнего мотива)-это короткая последовательность ДНК, которая расположена рядом с целевым разделом генома, который мы хотим редактировать, используя систему CRISPR-CAS. Без присутствия PAM фермент CAS не может распознать и разрезать соответствующую ДНК. В недавнем исследовании, опубликованном в ПриродаПолем Ученые из Массовый генерал Бригам Они демонстрируют инновационную стратегию, основанную на интеграции машинного обучения и рационального дизайна ферментов.
Команда, созданная Pammla (PAM Алгоритм машинного обучения) Анализировать данные из миллионов ферментов CRISPR-CAS9, чтобы предсказать их специфичность, активность и целевой объем PAM с высокой точностью. Это первый алгоритм, позволяющий функциональности более 64 миллионов вариантов ферментов. На практике команда демонстрирует полезность этих прогнозируемых ферментов, управляющих для редактирования точно заболевания генов как в клетках человека, так и в животных.
Последовательность PAM представляет собой короткую часть ДНК, к которой подключен фермент CAS9, чтобы сделать целевую ДНК вырезать. Однако ограничения на наличие подходящей последовательности PAM в геноме часто предотвращают терапевтическое введение CRISPR. Благодаря Pammla, ученые теперь могут предсказать и создавать новые ферменты CAS9, которые распознают альтернативные последовательности PAM и, таким образом, расширяют диапазон возможных целей. Это означает, что могут быть использованы пользовательские ферменты, которые специально разработаны для конкретной генетической мутации у человека или болезни.
Машинное обучение значительно ускоряет и увеличивает объем возможных вариантов фермента по сравнению с классическими методами инженерии белков, которые до сих пор были низкими и ограниченными. Используя Pammla, исследователи создают «библиотеку» безопасных и очень специфических ферментов CRISPR-CAS9, которые можно использовать не только в исследованиях, но и в клинических приложениях. Многие из этих новых вариантов показывают повышение эффективности и более низкий риск повреждения нецелевых срезов ДНК, что является ключом к безопасности терапии.
Одним из основных преимуществ этого подхода является его гибкость — Pammla не только расширяет варианты выбора правильного фермента, но также предлагает персонализированные решения в соответствии с конкретными потребностями исследователя или врача. В контексте персонализированной медицины это неоценимо — в разных случаях могут быть уникальные мутации, требующие различий в терапевтических стратегиях. Благодаря машинному обучению адаптация ферментов CRISPR к отдельному генетическому профилю становится возможной и доступной.
В дополнение к теоретическим преимуществам, команда также проводит эксперименты на первичных клетках человека и моделях заболеваний, чтобы продемонстрировать, что ферменты Pammla могут фактически эффективно использовать в реальных биологических системах. У мышей с ретинитом наблюдается значительное улучшение точности генетического редактирования без нежелательных побочных эффектов. Это является ключевым доказательством будущего применения этого подхода при лечении генетических заболеваний, особенно в условиях, в которых традиционные системы CRISPR не подходят.
Новый алгоритм также имеет потенциальное применение за пределами принципов Cas9-Pammla, которые могут использоваться для других ферментов в системах CRISPR-CAS, таких как CAS12 и CAS13, которые действуют на различные типы нуклеиновых кислот и имеют различные терапевтические применения, включая заболевания на основе РНК.
Развитие Pammla является мощным импульсом для более безопасного, более точного и более гибкого генной терапии. Это еще один шаг к будущему, в котором мы можем лечить сложные генетические заболевания не общими средствами, а с разумно разработанными инструментами в соответствии с индивидуальной биологией каждого. Сочетание искусственного интеллекта и биотехнологии больше не является научной фантастикой, а реальностью с огромным терапевтическим потенциалом.
Ссылки:
1. Технологические сети. ИИ может помочь создать более безопасные, более эффективные ферменты CRISPR-CAS9
2. Природа. Эндрю В. Анзалоне, Люк В. Коблан, Дэвид Р. Лю. Редактирование генома с нуклеазами CRISPR, базовыми редакторами, транспозазами и первичными редакторами
3. Природа. Shengdar Q. Tsai & J. Keith Jawn. Определение и улучшение общегенома специальных нуклеасов CRISPR-CAS9