В нескольких словах
В Барселоне ученые использовали искусственный интеллект для создания синтетических фрагментов ДНК. Эти фрагменты впервые смогли контролировать поведение здоровых клеток млекопитающих. Это открывает новые возможности для управления клеточными функциями и борьбы с заболеваниями.
Ученые из Барселоны разработали систему искусственного интеллекта (ИИ), способную создавать синтетические фрагменты ДНК. Эти фрагменты, известные как энхансеры, впервые успешно контролировали поведение здоровых клеток млекопитающих. Этот прорыв открывает новые горизонты в области биомедицины.
Работа представляет собой значительный шаг вперед в применении машинного обучения в биологических исследованиях. Хотя ранее ИИ уже использовался для проектирования новых белков, в том числе тех, которые не существуют в природе (применяемых в вакцинах или лекарствах), данное исследование сфокусировано на создании самого генетического кода, определяющего функцию клеток.
Геном человека состоит из миллиардов "букв" ДНК, формирующих сложную инструкцию. Несмотря на то, что основные компоненты, такие как гены, изучены, многие участки кода, включая энхансеры, остаются малоизученными, хотя они критически важны для дифференциации клеток и развития тканей, а также могут влиять на формирование опухолей.
Команда под руководством биолога Ларса Вельтена посвятила годы попыткам понять "язык" ДНК, особенно тех генетических элементов, которые регулируют активность генов и определяют судьбу клеток – например, превращение стволовой клетки в эритроцит или лейкоцит. Ученые сосредоточились на энхансерах – относительно коротких участках ДНК (около 250 "букв"), которые модулируют активность ключевых генов, определяющих развитие и поведение клеток крови.
За последние пять лет исследователи представили системе ИИ около 64 000 синтетических энхансеров, на основе которых алгоритм обучился их функциям. Это крупнейшая на сегодня коллекция генетических элементов, собранная для изучения поведения семи различных типов клеток крови. Энхансеры работают, взаимодействуя с факторами транскрипции – белками, также влияющими на активность генов. Ученые проанализировали точные взаимодействия энхансеров с 38 различными факторами транскрипции.
Используя эти обширные данные, система ИИ смогла с нуля создать совершенно новые энхансеры, которые не существуют в природе. Затем эти синтетические фрагменты ДНК были введены в геном клеток крови, и исследователи продемонстрировали, что они способны активировать, подавлять или модулировать активность целевых генов. Таким образом, "слово" ДНК, созданное искусственным интеллектом, напрямую определило поведение и судьбу живых клеток.
Ларс Вельтен отмечает: "Это первый раз, когда удалось добиться подобного результата на здоровых клетках. До сих пор исследования в основном фокусировались на раковых клетках, с которыми было проще работать". Хотя эксперименты проводились на клетках крови мышей, ученые убеждены, что метод применим и к другим типам клеток.
Потенциальные долгосрочные применения включают контроль поведения клеток в других здоровых тканях, работу с раковыми клетками или даже с клетками, содержащими опасные генетические мутации, например, связанные со старением. "Есть определенные мутации, которые накапливаются с возрастом. Мне было бы интересно создать генетические энхансеры для этих клеток, потому что сейчас нет хороших лекарств для борьбы с ними", – делится Вельтен.
Важность работы подчеркивают и независимые эксперты. Специалист по дизайну белков с помощью ИИ отмечает, что возможность тренировать алгоритмы на обширной коллекции данных для создания ДНК-последовательностей "с нуля" и программировать клеточные реакции – это значительный шаг. "Это исследование прекрасно отражает трансформационный момент, который мы переживаем, когда искусственный интеллект начинает оказывать реальное влияние на все области знаний", – добавляет она.
