Per la prima volta, un DNA progettato con l'aiuto dell'intelligenza artificiale controlla il comportamento delle cellule dei mammiferi.

Un team di scienziati di Barcellona ha creato per la prima volta un sistema di intelligenza artificiale in grado di progettare frammenti di DNA che controllano il funzionamento delle cellule sane dei mammiferi.

Il lavoro rappresenta una nuova prospettiva sull'uso dei sistemi di apprendimento automatico in biomedicina. Questa tecnologia è rivoluzionaria, secondo le parole di uno dei suoi principali sostenitori, il bioinformatico David Baker , che lo scorso anno ha vinto il premio Nobel per la chimica per il suo lavoro in questo campo. Finora, la maggior parte di queste applicazioni si è concentrata sulla produzione di proteine ​​con funzioni progettate su misura, creando in molti casi molecole che non esistevano in natura e che possono funzionare come vaccini, trattamenti contro il cancro o antidoti contro i veleni.

Il nuovo lavoro, pubblicato sulla rivista specializzata La cellula non si occupa della progettazione delle proteine, ma piuttosto del codice genetico del DNA che contiene la ricetta per produrle. Il genoma umano è una sequenza molto lunga contenente circa 3 miliardi di lettere di DNA (TCAGG…). Sebbene quel manuale di istruzioni sia stato letto e si conoscano alcuni dei suoi componenti fondamentali, come i geni, altre parti del codice sono ancora in gran parte sconosciute, nonostante svolgano un ruolo fondamentale nel determinare come si forma un essere umano con tutti i suoi tipi di tessuti differenziati, o come si sviluppa un tumore.

Lars Velten , biologo tedesco di 37 anni, ha trascorso la maggior parte della sua carriera cercando di comprendere il linguaggio del DNA. In particolare gli elementi genetici che regolano la funzione dei geni e decidono, ad esempio, se una cellula staminale diventerà un globulo rosso capace di trasportare l'ossigeno in tutto il corpo, oppure un globulo bianco capace di individuare ed eliminare qualsiasi minaccia. Gli scienziati si sono concentrati su frammenti di DNA relativamente piccoli, lunghi circa 250 lettere di DNA, chiamati potenziatori, che sono essenziali per modulare l'attività dei geni essenziali per lo sviluppo e il comportamento delle cellule del sangue.

Negli ultimi cinque anni, il team ha sottoposto circa 64.000 potenziatori sintetici a un sistema di intelligenza artificiale, che ha appreso la funzione di ciascuno di essi. Si tratta della più grande raccolta di questi componenti genetici mai assemblata per comprendere il comportamento di sette diversi tipi di cellule del sangue, tra cui i globuli rossi, diversi tipi di globuli bianchi e le cellule staminali del sangue. Gli enhancer agiscono legandosi ai fattori di trascrizione, proteine ​​che modulano anche la funzione genica. I ricercatori hanno analizzato l'esatta congiunzione con 38 fattori di trascrizione.

Grazie a tutti questi dati, il sistema è stato in grado di creare nuovi potenziatori che non esistono in natura. I ricercatori hanno preso questi frammenti di DNA, li hanno introdotti nel genoma delle cellule del sangue e hanno dimostrato che sono in grado di attivare, disattivare o modulare l'attività dei geni desiderati. Una parola di DNA creata da un sistema di intelligenza artificiale determina quindi il comportamento e il destino delle cellule viventi.

"È la prima volta che si ottiene un risultato simile su cellule sane, poiché finora la ricerca si è concentrata sulle cellule tumorali, più facili da gestire", sottolinea Velten. Il team ha dimostrato il sistema utilizzando cellule del sangue di topo, ma ritiene che questo sia solo il primo passo.

Una possibilità è che questo stesso metodo possa essere utilizzato per controllare il comportamento e il destino delle cellule in altri tessuti sani. Un'altra applicazione a lungo termine è l'impiego di questo sistema nelle cellule tumorali o addirittura in altre cellule che presentano già pericolose mutazioni genetiche , che potrebbero in futuro causare la malattia. "Ci sono alcune mutazioni che si accumulano con l'invecchiamento. Mi piacerebbe sviluppare potenziatori genetici per queste cellule, perché attualmente non esiste un farmaco efficace per combatterle", spiega Velten.

La biochimica Susana Vázquez , specialista nella progettazione di proteine ​​mediante intelligenza artificiale presso il Centro nazionale spagnolo per la ricerca sul cancro (CNIO), non coinvolta nel lavoro, ne sottolinea l'importanza. "Uno degli aspetti più interessanti è come questa vasta raccolta di dati ci abbia permesso di addestrare algoritmi di intelligenza artificiale capaci di progettare sequenze di DNA de novo, cioè partendo da zero", afferma lo scienziato. "Queste sequenze possono indurre specifiche risposte cellulari, aprendo la strada alla programmazione del comportamento cellulare. Credo che questo studio rifletta perfettamente il momento di trasformazione che stiamo vivendo, in cui l'intelligenza artificiale sta iniziando ad avere un impatto reale su tutti i campi della conoscenza", aggiunge.