CRISPR в новой эре: Квантовая биология и ИИ переписывают правила редактирования генома

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) значительно усовершенствовали методы редактирования генома с помощью системы CRISPR Cas9, используя передовые исследования в области квантовой биологии и искусственного интеллекта.

CRISPR Cas9 - это революционный инструмент в области биоинженерии, позволяющий изменять генетический код для улучшения функций организма или исправления мутаций. Он основан на уникальной РНК, которая направляет фермент Cas9 для взаимодействия с заданными участками генома. Однако существующие модели для прогнозирования эффективных РНК-гидов для CRISPR были разработаны на основе данных лишь нескольких модельных видов и демонстрировали низкую эффективность при работе с микроорганизмами.

Исследование ORNL сосредоточилось на микроорганизмах, которые могут быть модифицированы для производства возобновляемых топлив и химикатов. Ученые использовали квантовую биологию для изучения влияния электронной структуры на химические свойства и взаимодействия нуклеотидов - строительных блоков ДНК и РНК.

С применением искусственного интеллекта ученые разработали модель под названием "итеративный случайный лес", которая обучалась на данных около 50 000 РНК-гидов, нацеленных на геном бактерии E. coli. Эта модель помогла идентифицировать ключевые характеристики нуклеотидов, которые позволяют выбирать более эффективные РНК-гиды для CRISPR.

Использование искусственного интеллекта позволило ученым глубже понять биологические механизмы, которые определяют эффективность CRISPR, в отличие от моделей глубокого обучения, не предоставляющих такого уровня интерпретируемости.

Это исследование открывает новые возможности для улучшения инструментов CRISPR Cas9 для различных видов, включая человека, в таких областях, как разработка лекарств и функциональная геномика. Улучшение моделей CRISPR Cas9 обеспечивает более высокую точность и скорость исследований, улучшая связь между генотипом и фенотипом, то есть между генами и физическими характеристиками организмов.