Un DNA progettato con l’aiuto dell’intelligenza artificiale controlla per la prima volta il comportamento delle cellule di mammifero | Scienza

Un team di scienziati a Barcellona ha creato un sistema di intelligenza artificiale in grado di progettare frammenti di DNA che controllano per la prima volta il funzionamento delle cellule di mammifero sane.

Il lavoro è una nuova svolta per l’uso di sistemi di apprendimento della biomedicina automatici. Questa tecnologia è rivoluzionaria, nelle parole di uno dei suoi principali valler, il bioinformatico David Baker, che ha vinto il premio Nobel per la chimica per il suo lavoro in questo campo l’anno scorso. Fino ad ora, la maggior parte di queste applicazioni si è concentrata sulla produzione di proteine ​​con funzioni progettate per la lettera, in molti casi creando molecole che non esistevano in natura e che possono funzionare come vaccini, trattamenti per il cancro o antidoti contro veleni.

Il nuovo lavoro, pubblicato su The Specialized Magazine Cellanon si rivolge al design delle proteine, ma al codice genetico del DNA che contiene la ricetta per produrli. Il genoma umano è una sequenza molto lunga con circa 3.000 milioni lettere di DNA (TCAGG …). Sebbene questo libro di istruzioni sia già stato letto e alcuni dei suoi componenti fondamentali, come i geni, altre parti del codice sono ancora molto sconosciute, sebbene abbiano un ruolo chiave per decidere come si forma un essere umano con tutti i loro tipi di tessuto differenziati o come appare un tumore.

Lars Velten, un biologo tedesco di 37 anni, ha la maggior parte della sua carriera che cerca di comprendere il linguaggio del DNA. Soprattutto quello degli elementi genetici che regolano la funzione dei geni e che decidono, ad esempio, che una cellula staminale diventa un globulo rosso capace di trasportare ossigeno in tutto l’organismo o in un globulo bianco in grado di cercare ed eliminare qualsiasi minaccia. Gli scienziati si sono concentrati su frammenti di DNA relativamente piccoli, circa 250 lettere di DNA, chiamate potenziatori e che sono fondamentali per modulare l’attività dei geni cruciali nello sviluppo e nel comportamento delle cellule del sangue.

Negli ultimi cinque anni, il team ha presentato circa 64.000 potenziatori sintetici a un sistema di intelligenza artificiale, che ha imparato la funzione di ciascuno. È la più grande raccolta di questi componenti genetici che si è raccolta per comprendere il comportamento di sette diversi tipi di cellule del sangue, tra cui globuli rossi, vari tipi di globuli bianchi e cellule staminali nel sangue. I potenziatori funzionano unendo i fattori di trascrizione, proteine ​​che modulano anche il funzionamento dei geni. I ricercatori hanno analizzato l’esatta congiunzione con 38 fattori di trascrizione.

Con tutti questi dati, il sistema è stato in grado di creare nuovi potenziatori, che non esistono in natura. I ricercatori hanno preso questi frammenti di DNA, li hanno introdotti nel genoma delle cellule ematiche e hanno dimostrato di essere in grado di attivare, spegnere o modulare l’attività dei geni desiderati. Una parola di DNA ideata da un sistema di intelligenza artificiale determina quindi il comportamento e la destinazione delle cellule viventi.

“Questa è la prima volta che qualcosa del genere si ottiene in cellule sane, perché finora la ricerca si è concentrata sulle cellule tumorali, più facile da gestire”, sottolinea Velten. Il team ha dimostrato il sistema usando le cellule del sangue di topo, ma credono che questo sia solo il primo passo.

Una possibilità è che questo stesso metodo possa servire a controllare il comportamento e la destinazione delle cellule di altri tessuti sani. Un’altra applicazione a lungo termine è quella di utilizzare questo sistema nelle cellule tumorali o anche in altre cellule che hanno già pericolose mutazioni genetiche che potrebbero portare alla malattia in futuro. “Ci sono alcune mutazioni che si accumulano con l’invecchiamento. Sarei interessato a costruire potenziatori genetici per queste cellule, perché al momento non esistono buoni farmaci per combatterle”, afferma Velten.

La biochimica Susana Vázquez, specialista nella progettazione di proteine ​​con intelligenza artificiale del National Oncological Research Center (CNIO), che non ha partecipato al lavoro, ne evidenzia l’importanza. “Uno degli aspetti più interessanti è il modo in cui questa vasta raccolta di dati ha permesso di formare algoritmi di intelligenza artificiale in grado di progettare sequenze di DNA Novo, cioè da zero”, afferma lo scienziato. “Queste sequenze possono indurre risposte cellulari specifiche, che apre le porte a un modo per programmare il comportamento cellulare. Mi sembra che questo studio rifletta perfettamente il momento trasformativo che stiamo vivendo, in cui l’intelligenza artificiale sta iniziando ad avere un impatto reale su tutte le aree di conoscenza”, aggiunge.