پیشرفت شگفت انگیز هوش مصنوعی در ویرایش ژن‌ها

محققان با استفاده از هوش مصنوعی یک «دستور زبان» برای DNA ابداع کرده‌اند که به کنترل دقیق‌تر ژنتیک و ویرایش ژن‌ها کمک می‌کند.

به گزارش تک‌ناک، این فناوری به شناسایی الگوهای پیچیده در ژنوم‌ها می‌پردازد و می‌تواند تغییرات هدفمندی ایجاد کند. همچنین این پیشرفت می‌تواند به درمان بیماری‌های ژنتیکی و بهبود مهندسی زیستی کمک نماید.

پژوهشگران مؤسسه جکسون (JAX)، مؤسسه MIT و هاروارد، همچنین دانشگاه ییل به این پیشرفت دست یافته‌اند. این روش نوین از هوش مصنوعی برای طراحی سوئیچ‌های DNA مصنوعی، که به عنوان عناصر تنظیم‌کننده سیس (CREs) شناخته می‌شوند، استفاده می‌کند، که می‌توانند به طور دقیق فعالیت ژن را در بافت‌ها یا سلول‌های خاصی تنظیم کنند.

ابزاری مطمئن برای کنترل دقیق‌تر ویرایش ژن‌ها

یکی از چالش‌های کلیدی در مهندسی ژنتیک، توانایی کنترل مکان و زمان فعالیت ژن‌ها در موجودات زنده بوده است. در حالی که تکنولوژی‌های ویرایش ژن مانند CRISPR این کار را آسان‌تر کرده‌اند، اطمینان از اینکه تغییرات فقط بر بافت‌ها یا سلول‌های مورد نظر تأثیر می‌گذارند، دشوار می‌باشد.

تیم تحقیقاتی این مطالعه جدید تلاش کرده‌اند تا این مشکل را با ایجاد توالی‌های DNA مصنوعی که به عنوان سوئیچ‌های دقیق برای فعالیت ژن عمل می‌کنند، حل نمایند و کنترل بیشتری بر مداخلات ژنتیکی فراهم آورند.

درک دستور زبان DNA عناصر تنظیم‌کننده سیس (CREs)

هر سلول در بدن حاوی یک کد ژنتیکی مشابه است، اما همه ژن‌ها در هر سلول فعال نیستند. عناصر تنظیم‌کننده DNA، مانند CREs، به عنوان سوئیچ‌های کنترل عمل می‌کنند و مطمئن می‌شوند که ژن‌های مناسب در سلول‌های مناسب در زمان مناسب فعال می‌شوند.

با وجود این، تاکنون چالش محققان در زمینه درک «دستور زبان» این توالی‌ها بوده است. در واقع این دستور زبان به معنای فهمیدن قواعدی است که شیوه کار آن توالی‌ها را تعیین می‌کند.

برای غلبه بر این مانع، محققان از یادگیری عمیق که شاخه‌ای از هوش مصنوعی است، استفاده کردند تا مدلی را آموزش دهند که قادر به پیش‌بینی فعالیت CRE باشد.

با تحلیل مقادیر زیادی از داده‌های DNA، مدل هوش مصنوعی توانست الگوهایی را کشف کند که انسان‌ها به راحتی نمی‌توانستند شناسایی کنند.

نتایج به دست آمده به محققان اجازه داد تا بهتر درک کنند که چگونه ترتیب توالی‌ها در CREs بر فعال‌سازی ژن تأثیر می‌گذارد و راه را برای طراحی CREهای مصنوعی با عملکردهای بسیار خاص هموار کنند.

استفاده از پلتفرم CODA برای طراحی CREهای جدید

با استفاده از پلتفرمی به نام CODA (بهینه‌سازی محاسباتی فعالیت DNA)، محققان توانستند هزاران CRE جدید طراحی کنند، که می‌توانند فعالیت ژن را در انواع خاصی از سلول‌ها کنترل نمایند.

آزمایش سیستم در موجودات زنده

برای تأیید عملکرد CREهای طراحی شده توسط هوش مصنوعی، محققان آزمایش‌هایی را در نمونه‌های حیوانی، از جمله ماهی زبرا و موش‌ها انجام دادند.

در یک نمونه جالب، یک CRE مصنوعی با موفقیت یک پروتئین فلورسنت را در کبد ماهی‌های در حال توسعه فعال کرد، اما در هیچ جای دیگر بدن فعال نشد.

کاربردهای درمانی بالقوه

این سطح از دقت می‌تواند تغییر بزرگی در درمان‌هایی باشد که نیاز به فعال کردن ژن در یک بافت خاص، بدون تأثیر بر بافت‌های دیگر دارند.

با ارائه کنترل بیشتر بر مکان و زمانی که ژن‌ها فعال می‌شوند، این CREهای طراحی شده توسط هوش مصنوعی می‌توانند در انواع کاربردهای درمانی، از درمان بیماری‌های ژنتیکی تا بهینه‌سازی بازسازی بافت‌ها، مورد استفاده قرار گیرند.

پیشرفت‌های آتی در کنترل دقیق‌تر ویرایش ژن‌ها

با پیشرفت این رویکرد مبتنی بر هوش مصنوعی برای طراحی CREها، امکانات زیادی فراهم می‌شود. فراتر از تحقیقات پایه، این سوئیچ‌های DNA مصنوعی می‌توانند در توسعه درمان‌های پیشرفته برای بسیاری از بیماری‌ها به کار گرفته شوند و روش‌های مؤثرتری برای دستکاری ژن‌ها با دقت بی‌نظیر ارائه دهند.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.