Οι οργανισμοί αποτελούνται από χιλιάδες διαφορετικές πρωτεΐνες, καθεμία από τις οποίες κωδικοποιείται από ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Για να αποκτήσει ένας τύπος κυττάρου τη μοναδική του ταυτότητα, μορφή και λειτουργία, τα γονίδια πρέπει να ενεργοποιηθούν από «ενισχυτές». Οι επιστήμονες προσπάθησαν εδώ και καιρό να σπάσουν τον κώδικα του τρόπου λειτουργίας των ενισχυτών. Τώρα, σε μια νέα μελέτη, το εργαστήριο του Alexander Stark στο Ινστιτούτο Μοριακής Παθολογίας στο Βιοκέντρο της Βιέννης στην Αυστρία και το εργαστήριο της Eileen Furlong στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας χρησιμοποίησαν γονιδιωματική και τεχνητή νοημοσύνη για να σπάσουν έναν δεύτερο γενετικό κώδικα, αυτόν που βρίσκεται πίσω από τη γονιδιακή ρύθμιση. . Η εργασία, με τίτλο «Στοχευμένος σχεδιασμός συνθετικών ενισχυτών για επιλεγμένους ιστούς στο έμβρυο Drosophila», δημοσιεύτηκε διαδικτυακά στις 12 Δεκεμβρίου 2023, στο Nature.
Κάθε υγιές κύτταρο ενός πολύπλοκου οργανισμού περιέχει ακριβώς το ίδιο αντίγραφο του γονιδιώματος, το οποίο περιλαμβάνει χιλιάδες γονίδια, τα προσχέδια για την κατασκευή πρωτεϊνών. Για να σχηματιστούν διαφορετικοί τύποι κυττάρων, ιστοί και όργανα, χρειάζονται πρόσθετοι μηχανισμοί για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της έκφρασης συγκεκριμένων γονιδίων με υψηλή ακρίβεια.
Ως τμήματα DNA στο γονιδίωμα, οι ενισχυτές αποτελούν βασικό στοιχείο για την ενεργοποίηση των γονιδίων και το εργαστήριο Stark έχει βάλει ως αποστολή του να σπάσει τον κώδικα που συνδέει την αλληλουχία DNA ενός ενισχυτή με τη γονιδιακή ρυθμιστική του λειτουργία. Αν και οι πρώτοι ενισχυτές ανακαλύφθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μόνο την τελευταία δεκαετία οι επιστήμονες ανέπτυξαν τρόπους για να εντοπίζουν πειραματικά τους ενισχυτές.
Με βάση αυτό το θεμέλιο, το εργαστήριο Stark και οι συνεργάτες του στοχεύουν τώρα σε τρεις εργασίες που μαζί αποτελούν έναν φαινομενικά αδύνατο μακροπρόθεσμο στόχο: την πρόβλεψη της δραστηριότητας των ενισχυτών με βάση τις αλληλουχίες DNA τους. πρόβλεψη των συνεπειών των μεταλλάξεων ενισχυτών. και σχεδιάζοντας ενισχυτικά από την αρχή για συγκεκριμένους ιστούς. Με άλλα λόγια: ανάγνωση, κατανόηση και συγγραφή ενός δεύτερου γενετικού κώδικα.
Με τις πρόσφατες εξελίξεις στη γονιδιωματική και την τεχνητή νοημοσύνη, έχει προκύψει η ευκαιρία να σπάσει αυτός ο κώδικας. Αυτοί οι συγγραφείς ανέπτυξαν ένα ισχυρό μοντέλο βαθιάς μάθησης και μεταφοράς μάθησης και το εκπαίδευσαν με μεγάλο όγκο δεδομένων που ελήφθησαν από προηγούμενες μελέτες στο Drosophila melanogaster, έναν ευρέως χρησιμοποιούμενο οργανισμό πρότυπο στην αναπτυξιακή βιολογία.
Από το εργαστήριο στο AI και πάλι πίσω
Πρώτον, τέτοια μοντέλα εκπαιδεύτηκαν χρησιμοποιώντας αλληλουχίες DNA σε όλο το γονιδίωμα και αντίστοιχα δεδομένα προσβασιμότητας DNA. Το μοντέλο βαθιάς μάθησης χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για την προετοιμασία της τελειοποίησης του μοντέλου μάθησης μετανάστευσης, στο οποίο το μοντέλο εκμάθησης μετανάστευσης μαθαίνει να συσχετίζει άμεσα τις αλληλουχίες DNA με συγκεκριμένη δραστηριότητα ενισχυτή.
Ο Stark λέει, "Μπορείς να εξηγήσεις τη μετανάστευση στη μάθηση με αυτόν τον τρόπο: φανταστείτε ότι θέλετε να εκπαιδεύσετε ένα μοντέλο ώστε να αναγνωρίζει γάτες στις φωτογραφίες, αλλά έχετε πολύ λίγες φωτογραφίες από γάτες διαθέσιμες. Αλλά έχετε πολλές φωτογραφίες από σκύλους. Επομένως, πρώτα εκπαιδεύετε ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης στις φωτογραφίες του σκύλου, μετά βελτιστοποιήστε το σε ένα δεύτερο βήμα και τώρα μπορείτε να αναγνωρίσετε γάτες».
Εικόνα από Φύση, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06905-9.
Μέσω της μάθησης μεταφοράς, το μοντέλο μπόρεσε να προβλέψει τη δραστηριότητα ενισχυτή σε πέντε τύπους ιστών σε έμβρυα Drosophila - το κεντρικό νευρικό σύστημα, τα υποτμήματα του εγκεφάλου, την επιδερμίδα, το έντερο και τους μυς.
Βασιζόμενοι σε αυτήν την πρόβλεψη, αυτοί οι συγγραφείς επέστρεψαν στο εργαστήριο τις ερευνητικές τους προσπάθειες από τον αφηρημένο κόσμο των μεγάλων δεδομένων και της τεχνητής νοημοσύνης. Χρησιμοποιώντας εξελιγμένα εργαλεία μοριακής βιολογίας, δοκίμασαν 40 υπολογιστικά σχεδιασμένους συνθετικούς ενισχυτές σε ζωντανά έμβρυα Drosophila. Στην πραγματικότητα, αυτοί οι ενισχυτές είναι ενεργοί και οδηγούν την έκφραση γονιδίου στον ιστό στόχο.
Η ικανότητα κατασκευής συνθετικών ενισχυτών με συγκεκριμένες ιδιότητες προσφέρει άνευ προηγουμένου ευκαιρίες για τον έλεγχο της στοχευμένης έκφρασης των γονιδίων", λέει ο Bernardo de Almeida του Vienna Biocenter, πρώτος συγγραφέας της εργασίας. Μελλοντικές εφαρμογές θα μπορούσαν να είναι στη συνθετική βιολογία ή τη γονιδιακή θεραπεία, όπου ο ακριβής σχεδιασμός και ο χειρισμός των προτύπων γονιδιακής έκφρασης είναι προαπαιτούμενο».
Για τον Stark, ωστόσο, η παροχή νέων γνώσεων για ένα φαινόμενο που είναι θεμελιώδες για τη ζωή είναι η πιο σημαντική πτυχή αυτής της έρευνας: «Πριν από περίπου 60 χρόνια, οι επιστήμονες έμαθαν πώς λειτουργούσε ο πρώτος γενετικός κώδικας, πώς το μοριακό σχέδιο DNA μεταφράστηκε σε πρωτεΐνες. Με τη δύναμη της γονιδιωματικής και της τεχνητής νοημοσύνης, καταφέραμε τώρα να σπάσουμε τον δεύτερο γενετικό κώδικα της ζωής, δηλαδή πώς ελέγχεται η δραστηριότητα των γονιδίων».
