Po raz pierwszy DNA zaprojektowane przy pomocy sztucznej inteligencji kontroluje zachowanie komórek ssaków.

Zespół naukowców z Barcelony po raz pierwszy stworzył system sztucznej inteligencji, który jest w stanie zaprojektować fragmenty DNA kontrolujące funkcjonowanie zdrowych komórek ssaków.

Praca przedstawia nowe spojrzenie na wykorzystanie systemów uczenia maszynowego w biomedycynie. Technologia ta jest rewolucyjna, jak twierdzi jeden z jej głównych zwolenników, bioinformatyk David Baker , który w zeszłym roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za swoją pracę w tej dziedzinie. Aż dotąd większość tych zastosowań skupiała się na produkcji białek z określonymi funkcjami, w wielu przypadkach tworząc cząsteczki, które nie występują w naturze, a które mogą służyć jako szczepionki, leki przeciwnowotworowe lub odtrutki na trucizny.

Nowa praca opublikowana w czasopiśmie specjalistycznym Komórka nie odpowiada za konstrukcję białek, lecz za kod genetyczny DNA zawierający przepis na ich produkcję. Ludzki genom to bardzo długa sekwencja zawierająca około 3 miliardy liter DNA (TCAGG…). Choć instrukcję tę przeczytano i poznano niektóre jej podstawowe elementy, na przykład geny, inne części kodu pozostają w dużej mierze nieznane, choć odgrywają one kluczową rolę w określaniu, w jaki sposób kształtuje się człowiek ze wszystkimi zróżnicowanymi typami tkanek, a także w jaki sposób rozwija się guz.

Lars Velten , 37-letni niemiecki biolog, poświęcił większość swojej kariery próbom zrozumienia języka DNA. Zwłaszcza elementy genetyczne, które regulują działanie genów i decydują na przykład o tym, czy komórka macierzysta stanie się czerwoną krwinką zdolną do transportu tlenu w całym organizmie, czy białą krwinką zdolną do wyszukiwania i eliminowania zagrożeń. Naukowcy skupili się na stosunkowo niewielkich fragmentach DNA, liczących około 250 liter DNA, nazywanych wzmacniaczami, które odgrywają kluczową rolę w modulacji aktywności genów decydujących o rozwoju i zachowaniu komórek krwi.

Przez ostatnie pięć lat zespół przedstawił systemowi sztucznej inteligencji około 64 000 syntetycznych wzmacniaczy, który nauczył się funkcji każdego z nich. Jest to największy zbiór tych komponentów genetycznych, jaki kiedykolwiek zgromadzono w celu zrozumienia zachowania siedmiu różnych rodzajów komórek krwi, w tym czerwonych krwinek, kilku rodzajów białych krwinek i komórek macierzystych krwi. Wzmacniacze działają poprzez wiązanie się z czynnikami transkrypcyjnymi, białkami, które również modulują funkcjonowanie genów. Naukowcy przeanalizowali dokładne połączenie z 38 czynnikami transkrypcyjnymi.

Dzięki wszystkim tym danym system był w stanie stworzyć nowe wzmacniacze, które nie występują w naturze. Naukowcy pobrali te fragmenty DNA, wprowadzili je do genomu komórek krwi i wykazali, że są one zdolne do włączania, wyłączania lub modulowania aktywności pożądanych genów. Słowo DNA stworzone przez system sztucznej inteligencji determinuje zachowanie i los żywych komórek.

„To pierwszy raz, kiedy coś takiego udało się osiągnąć w zdrowych komórkach, ponieważ do tej pory badania koncentrowały się na komórkach rakowych, które są łatwiejsze w leczeniu” – podkreśla Velten. Zespół zademonstrował działanie systemu na komórkach krwi myszy, ale uważa, że ​​to dopiero pierwszy krok.

Jedną z możliwości jest wykorzystanie tej samej metody do kontrolowania zachowania i losu komórek w innych zdrowych tkankach. Innym, bardziej długoterminowym zastosowaniem tego systemu jest użycie go w komórkach nowotworowych lub nawet w innych komórkach, w których już występują niebezpieczne mutacje genetyczne mogące w przyszłości wywołać chorobę. „Istnieją pewne mutacje, które kumulują się wraz z wiekiem. Byłbym zainteresowany opracowaniem genetycznych wzmacniaczy dla tych komórek, ponieważ obecnie nie ma dobrego leku, który by je zwalczał” – wyjaśnia Velten.

Biochemik Susana Vázquez , specjalistka w dziedzinie projektowania białek z wykorzystaniem sztucznej inteligencji w Hiszpańskim Narodowym Centrum Badań nad Rakiem (CNIO), która nie była zaangażowana w te prace, podkreśla ich znaczenie. „Jednym z najciekawszych aspektów jest to, w jaki sposób ten obszerny zbiór danych pozwolił nam wytrenować algorytmy sztucznej inteligencji zdolne do projektowania sekwencji DNA de novo, czyli od podstaw” – mówi naukowiec. „Te sekwencje mogą wywołać określone reakcje komórkowe, otwierając drzwi do sposobu programowania zachowań komórkowych. Myślę, że to badanie doskonale odzwierciedla moment transformacji, którego doświadczamy, kiedy sztuczna inteligencja zaczyna mieć realny wpływ na wszystkie obszary wiedzy” – dodaje.