أداة جديدة للذكاء الاصطناعي تجعل التعديل الجيني السريع ممكنًا
صمم باحثون في كلية الطب بجامعة نيويورك جروسمان وجامعة تورنتو أداة جديدة للذكاء الاصطناعي تجعل التعديل الجيني السريع ممكنًا. وتحدثوا عنها قائلين “إنها تعد بتسريع تطوير العلاجات الجينية على نطاق واسع”.
تنجم الأمراض بما في ذلك التليف الكيسي ومرض تاي ساكس وفقر الدم المنجلي عن أخطاء في ترتيب أحرف الحمض النووي التي تشفر تعليمات التشغيل لكل خلية بشرية. يمكن للعلماء في بعض الحالات تصحيح هذه الأخطاء من خلال طرق تحرير الجينات التي تعيد ترتيب هذه الأحرف.
هناك حالات أخرى ، ليس بسبب خطأ في الشفرة نفسها ، ولكن بسبب مشاكل في كيفية قراءة الآلية الخلوية للحمض النووي (علم التخلق). غالبًا ما يتعاون الجين ، الذي يوفر وصفة لبروتين معين ، مع جزيئات تسمى عوامل النسخ التي تخبر الخلية بالكمية التي يجب أن تصنعها من هذا البروتين. عندما تنحرف هذه العملية عن مسارها ، تساهم الجينات المفرطة أو غير النشطة في الإصابة بمرض السكري والسرطان والاضطرابات العصبية. نتيجة لذلك ، كان الباحثون يستكشفون طرقًا لاستعادة النشاط الوراثي اللاجيني الطبيعي.
أحد هذه الأساليب هو تحرير أصابع الزنك ، والذي يمكنه تغيير الجينات والتحكم فيها. من بين أكثر الهياكل البروتينية وفرة في جسم الإنسان ، يمكن لأصابع الزنك أن توجه إصلاح الحمض النووي عن طريق الاستيلاء على إنزيمات تشبه المقص وتوجيهها لقطع الأجزاء المعيبة من الشفرة.
وبالمثل ، يمكن لأصابع الزنك أيضًا أن ترتبط بعوامل النسخ وتجذبها نحو الجزء الجيني الذي يحتاج إلى التنظيم. من خلال تخصيص هذه التعليمات ، يمكن لمهندسي الجينات تكييف أي نشاط جيني. ومع ذلك ، فإن العيب هو أن أصابع الزنك الاصطناعية تشكل تحديًا في التصميم لمهمة محددة. نظرًا لأن هذه البروتينات مرتبطة بالحمض النووي في مجموعات معقدة ، سيحتاج الباحثون إلى أن يكونوا قادرين على معرفة – من بين عدد لا يحصى من التوليفات الممكنة – كيف يتفاعل كل إصبع من الزنك مع جاره لكل تغيير جيني مرغوب فيه.
تتغلب التكنولوجيا الجديدة لمؤلفي الدراسة ، المسماة ZFDesign ، على هذه العقبة باستخدام الذكاء الاصطناعي (AI) لنمذجة وتصميم هذه التفاعلات. يعتمد النموذج على البيانات التي تم إنشاؤها بواسطة شاشة ما يقرب من 50 مليار تفاعل محتمل بين إصبع الزنك والحمض النووي في مختبرات الباحثين. وقد تم نشر تقرير حول الأداة على الإنترنت في 26 يناير في مجلة Nature Biotechnology.
يقول مؤلف الدراسة الرئيسي David Ichikawa ، دكتوراه ، طالب دراسات عليا سابق في جامعة NYU Langone Health: “يمكن لبرنامجنا تحديد المجموعة الصحيحة من أصابع الزنك لأي تعديل ، مما يجعل هذا النوع من تحرير الجينات أسرع من أي وقت مضى”.
وقد لاحظ إيشيكاوا أن تحرير أصابع الزنك يوفر بديلاً محتملاً أكثر أمانًا لـ CRISPR ، وهي تقنية رئيسية لتحرير الجينات مع تطبيقات تتراوح من إيجاد طرق جديدة لقتل الخلايا السرطانية إلى تصميم محاصيل أكثر تغذية. على عكس أصابع الزنك المشتقة من الإنسان بالكامل ، تعتمد تقنية كريسبر (CRISPR) ، التي تعني تكرارًا متناوبًا قصيرًا ومتباعدًا بشكل منتظم ، على البروتينات البكتيرية للتفاعل مع الشفرة الجينية. يمكن أن تؤدي هذه البروتينات “الأجنبية” إلى تحفيز أجهزة الدفاع المناعي لدى المرضى ، والتي قد تهاجمهم مثل أي عدوى أخرى وتؤدي إلى التهاب خطير.
وأضاف مؤلفو الدراسة أنه إلى جانب تقليل مخاطر المناعة ، فإن الحجم الصغير لأدوات أصابع الزنك قد يوفر أيضًا تقنيات علاج جيني أكثر مرونة مقارنةً بـ CRISPR من خلال تمكين المزيد من الطرق لتوصيل الأدوات إلى الخلايا الصحيحة في المرضى.
ووضح ماركوس نويز ، كبير مؤلفي الدراسة ، “من خلال تسريع تصميم أصابع الزنك إلى جانب حجمها الأصغر ، يمهد نظامنا الطريق لاستخدام هذه البروتينات للتحكم في جينات متعددة في نفس الوقت”. “في المستقبل ، قد يساعد هذا النهج في تصحيح الأمراض التي لها أسباب وراثية متعددة ، مثل أمراض القلب والسمنة والعديد من حالات التوحد.”
لاختبار كود تصميم الذكاء الاصطناعي للكمبيوتر ، استخدم نويز وفريقه إصبعًا مخصصًا من الزنك لتعطيل تسلسل ترميز الجين في الخلايا البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، قاموا ببناء العديد من أصابع الزنك التي نجحت في إعادة برمجة عوامل النسخ للالتصاق بالقرب من تسلسل الجين المستهدف ورفع أو خفض تعبيره ، مما يدل على أنه يمكن استخدام تقنيتهم للتغييرات اللاجينية.
وقد حذر نويز ، الأستاذ المساعد في قسم الكيمياء الحيوية وعلم الأدوية الجزيئي في جامعة نيويورك لانغون ، من صعوبة السيطرة على أصابع الزنك ، رغم أنها واعدة. نظرًا لأنها ليست خاصة دائمًا بجين واحد ، يمكن أن تؤثر بعض التركيبات على تسلسل الحمض النووي خارج هدف معين ، مما يؤدي إلى تغييرات غير مقصودة في الشفرة الجينية.
نتيجة لذلك ، يقول نويز إن الفريق يخطط بعد ذلك لتحسين برنامج الذكاء الاصطناعي الخاص بهم حتى يتمكن من بناء مجموعات أكثر دقة لأصابع الزنك والتي تحفز التعديل المطلوب فقط. نويز أيضًا عضو في معهد لانجون لعلم الوراثة في جامعة نيويورك.
