Революционен пробив: За първи път синтетична ДНК контролира гените в клетките на бозайници

За първи път учени използваха генеративен изкуствен интелект, за да създадат синтетични ДНК фрагменти, които досега не са откривани в природата. Тези фрагменти могат да контролират активността на гените в здравите клетки на бозайниците. Моделът може да бъде „програмиран“ за конкретна задача – например да включи ген в стволовите клетки, които ще се превърнат в червени кръвни телца, но не и в такива, които ще се превърнат в тромбоцити. Изкуственият интелект избира правилните комбинации от буквите на ДНК, след което учените синтезират получените последователности и ги доставят на клетките с помощта на вируси. Изследователите сравняват този подход с програмирането – само че в областта на биологията.

За да докажат работоспособността на идеята, авторите на изследването са поискали от изкуствения интелект да създаде изкуствени ДНК фрагменти. Тези фрагменти е трябвало да включват ген, кодиращ флуоресцентен протеин в някои клетки, без да променят работата на другите гени. Изкуственият интелект създаде тези фрагменти от нулата и когато те бяха добавени към кръвните клетки на мишки, те се вградиха в ДНК точно както се очакваше.

Тази работа е важна стъпка напред в областта на генеративната биология. Досега основните постижения в тази област бяха свързани със създаването на протеини. Учените се научиха да ги създават по-бързо от всякога. Но много заболявания възникват не заради самите протеини, а защото гените не работят правилно – а това зависи от конкретния тип клетки. Експресията на гените се регулира от специални участъци от ДНК – енхансери. Това са малки фрагменти, които включват или изключват правилните гени. За да отстранят дефекта, изследователите претърсват генома за съществуващи енхансери, които може би вече съществуват. Но изборът е ограничен само от това, което е създала еволюцията.

„Генерираните от изкуствения интелект“ енхансери биха могли да помогнат за разработването на прецизни генни „превключватели“, които все още не съществуват в природата. Те могат да бъдат програмирани така, че да включват и изключват гените точно в тези видове клетки, в които са необходими. Подобна прецизна настройка е важна за създаването на лекарства, които няма да навредят на здравите клетки.

Създаването на необходимите ИИ модели изисква обаче много висококачествени данни. За да обучат своя модел, учените са провели хиляди експерименти с лабораторни проби, които имитират образуването на кръв, и са събрали голямо количество биологична информация. Те са изследвали както самите енхансери, така и транскрипционните фактори – протеините, които също участват в контрола на работата на гените. Обикновено за целта се използват ракови клетки, защото с тях е по-удобно да се работи, но в това изследване учените са използвали здрави клетки.

В продължение на пет години екипът е синтезирал повече от 64 000 изкуствени енхансери (подобрители, усилватели), като при всеки от тях са тествани различни комбинации и сила на свързване с 38 различни транскрипционни фактора. Това е най-голямата библиотека от синтетични енхансери, създадена в кръвните клетки.

Изследователите са въвели изкуствените подобрители в клетките и наблюдават как всеки един от тях влияе върху активността на гените на седем етапа от развитието на кръвните клетки. Оказа се, че един и същ подобрител може да активира гените в някои клетки и да ги потиска в други.

В повечето случаи енхансерите плавно увеличават или намаляват активността на гените. Но някои комбинации се държат по различен начин – като бутон за включване/изключване. Учените нарекоха това „отрицателна синергия“: два фактора, които поотделно задействат даден ген, заедно могат напълно да го заглушат.

Събраните данни полагат основите на съвсем нов модел за машинно обучение. След като изкуственият интелект разполагал с достатъчно информация за това как синтетичните подобрители (енхансери) влияят върху активността на гените в реалните клетки, той се е научил да прогнозира нови варианти, които могат да включват или изключват гените, дори ако такива последователности никога преди не са съществували в познатата ни природа.