هوش مصنوعی پیشتاز رفع مشکلات ژنتیکی

به گزارش مجله خبری نگار،تکامل فن آوری ویرایش ژن CRISPR-Cas۹، پتانسیل بسیار زیادی برای درمان بیماری‌های ژنتیکی در انسان، از سرطان گرفته تا فیبروز کیستیک را دارد. اما تاکنون، عوامل تعیین کننده موفقیت این مدل ویرایش‌ها به خوبی درک نشده اند.

در این مطالعه، هزاران توالی DNA مختلف وارد شده به ژنوم را با استفاده از ویرایشگر‌های اولیه ارزیابی کرد. سپس از این داده‌ها برای آموزش الگوریتم هوش مصنوعی استفاده شد تا به محققان کمک کند تا بهترین راه‌حل را برای یک نقص ژنتیکی طراحی کنند، که این راه حل، نویدبخش سرعت بخشیدن به تلاش‌ها برای استفاده از این ویرایش اولیه در سطوح درمانی است.

CRISPR-Cas۹ که در سال ۲۰۱۲ توسعه یافت، اولین فناوری ویرایش ژن بود که به راحتی قابل برنامه ریزی بود. یک سری «قیچی‌های مولکولی» محققان را قادر می‌سازند تا DNA را در هر موقعیتی از ژنوم برش دهند تا بخش‌هایی از توالی DNA را حذف، اضافه یا تغییر دهند. این فناوری برای بررسی اینکه کدام ژن برای شرایط مختلف مهم است، از سرطان گرفته تا بیماری‌های نادر، و همچنین برای توسعه درمان‌هایی که جهش‌ها یا ژن‌های مضر را اصلاح یا خاموش می‌کنند، استفاده شده است.

ویرایشگر‌های پایه، یک نوآوری در حال گسترش بر روی CRISPR-Cas۹ بودند و به دلیل توانایی آن‌ها در جایگزینی باز‌های منفرد DNA، “مداد‌های مولکولی” نامیده می‌شدند. جدیدترین ابزار‌های ویرایش ژن که در سال ۲۰۱۹ ایجاد شده است، ویرایشگر‌های اصلی نامیده می‌شوند. توانایی ویرایشگر‌های اصلی برای انجام عملیات جستجو و جایگزینی مستقیم روی ژنوم با درجه‌ای از دقت بالا، منجر به لقب «پردازنده کلمه مولکولی» شده است.

هدف نهایی این فناوری‌ها، اصلاح جهش‌های مضر در ژن‌های افراد، و رفع نقوص ژنتیکی با استفاده از هوش مصنوعی است. بیش از ۱۶۰۰۰ نوع حذف کوچک که در آن تعداد کمی از باز‌های DNA از ژنوم حذف شده اند، به طور قطع با بیماری مرتبط هستند. این فرآیند شامل فیبروز کیستیک است که در آن ۷۰ درصد موارد به دلیل حذف تنها سه پایه DNA ایجاد می‌شود. در سال ۲۰۲۲، سلول‌های T ویرایش شده با موفقیت برای درمان لوسمی بیمار مورد استفاده قرار گرفت، جایی که شیمی‌درمانی و پیوند مغز استخوان شکست خورده بود.

در این مطالعه جدید، محققان موسسه Wellcome Sanger، ۳۶۰۴ توالی DNA با طول بین یک تا ۶۹ پایگاه DNA طراحی کردند. این توالی‌ها با استفاده از سیستم‌های تحویل ویرایشگر اصلی مختلف در زمینه‌های مختلف بازسازی DNA، در سه رده سلولی مختلف انسان قرار داده شدند. بعد از یک هفته، سلول‌ها توالی یابی شدند تا ببینند آیا این ویرایش‌ها موفقیت‌آمیز بوده است یا خیر.

کارایی درج یا میزان موفقیت هر دنباله برای تعیین عوامل مشترک در موفقیت هر ویرایش ارزیابی شد. طول توالی، یک عامل کلیدی است.

جوناس کوپل، نویسنده اول این مطالعه از موسسه ولکام سانگر، گفت: متغیر‌های دخیل در ویرایش‌های اولیه موفق ژنوم بسیارند، اما ما در حال کشف عواملی هستیم که شانس موفقیت را افزایش می‌دهند. طول توالی یکی از این عوامل است، اما به این سادگی نیست که هر چه توالی طولانی‌تر باشد، ویرایش آن دشوارتر است. همچنین ما متوجه شدیم که یک نوع ترمیم DNA از ویرایش توالی‌های کوتاه جلوگیری می‌کند، در حالی که نوع دیگری از ترمیم از ویرایش توالی‌های طولانی جلوگیری می‌کند.

برای کمک به درک این داده‌ها، محققان به هوش مصنوعی روی آوردند تا الگو‌هایی را که موفقیت ویرایش را تعیین می‌کنند، مانند طول و نوع بازسازی DNA، شناسایی کنند. پس از آموزش بر روی داده‌های موجود، یک الگوریتم بر روی داده‌های جدید آزمایش شد و مشخص شد که می‌تواند موفقیت ویرایش را به طور دقیق پیش بینی کند.

جولیان ولر، نویسنده اول این مطالعه از مؤسسه ولکام سانگر، گفت: به بیان ساده، چندین ترکیب مختلف از سه حرف DNA می‌توانند برای یک اسید آمینه در یک پروتئین رمزگذاری شوند. به همین دلیل است که صد‌ها روش برای ویرایش یک ژن برای دستیابی به همان نتیجه در سطح پروتئین وجود دارد. با تغذیه این ویرایش‌های ژنی بالقوه در الگوریتم هوش مصنوعی، ما توانستیم مدلی بسازیم تا آن‌ها را بر اساس احتمال کارکرد شان رتبه‌بندی کنیم. ما امیدواریم که این مسئله بسیاری از آزمون‌ها و خطا‌های مربوط به ویرایش اولیه را حذف کند و پیشرفت را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

گام‌های بعدی این تیم، ساخت مدل‌هایی برای همه بیماری‌های ژنتیکی شناخته‌شده انسان است تا محققان بهتر بفهمند که چگونه می‌توان این بیماری‌ها را با استفاده از ویرایش اولیه برطرف کرد.

دکتر لئوپولد پارتز، نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: پتانسیل ویرایش اولیه، برای بهبود سلامت انسان بسیار زیاد است، اما ابتدا باید ساده‌ترین، کارآمدترین و ایمن‌ترین راه‌ها را برای انجام این ویرایش‌ها درک کنیم. در این مورد درک قواعد مهمترین مسئله است که داده‌ها و ابزار حاصل از این مطالعه به ما در انجام آن کمک می‌کند.