ДНК, созданная с помощью ИИ, включает и выключает гены в клетках крови

Ученые из Центра геномной регуляции разработали ИИ-инструмент, способный создавать регуляторные последовательности ДНК, которых ранее не существовало в природе. Эта модель может генерировать синтетические участки ДНК по заданным условиям – например, активировать определенный ген в стволовых клетках, которые становятся эритроцитами, но не тромбоцитами.

Модель определяет, какие комбинации нуклеотидов ДНК (A, T, C и G) нужны для достижения нужного уровня активности генов в конкретных типах клеток. После этого ученые могут химически создать участки ДНК длиной примерно 250 оснований и использовать вирус как носитель для их доставки в клетки.

Активность генов регулируется специальными участками ДНК, такими как энхансеры – короткие последовательности, которые могут запускать или подавлять работу генов. Чтобы скорректировать неправильную экспрессию генов, ученым приходится искать природные энхансеры в геноме, что ограничивает их возможностями, предложенными самой эволюцией. Синтетические энхансеры, созданные ИИ, открывают возможность разработки высокоточных генетических переключателей, которых в природе не существует. Такие элементы можно спроектировать с заданным режимом активации и подавления в конкретных типах клеток, что особенно важно для создания безопасных и точных методов лечения, минимизирующих побочные эффекты в здоровых тканях.

Для создания ИИ-моделей необходимы обширные и качественные данные, чего долгое время не хватало в области изучения энхансеров. "Чтобы построить языковую модель для биологических систем, нужно понимать язык, на котором "разговаривают" клетки", – поясняют исследователи. Им удалось расшифровать "грамматику" энхансеров, что дало возможность создавать совершенно новые "слова и предложения" в генетическом коде. Чтобы обучить свою модель ИИ, авторы исследования собрали огромный массив биологических данных, проведя эксперименты на лабораторных моделях. Они изучали как сами энхансеры, так и транскрипционные факторы – белки, управляющие активностью генов.

За пять лет команда синтезировала более 64 000 искусственных энхансеров, каждый из которых был специально спроектирован для проверки различных конфигураций и силы участков связывания с 38 разными транскрипционными факторами. Это стало крупнейшей на сегодняшний день коллекцией синтетических энхансеров, созданных в клетках крови. После введения синтетических усилителей в клетки исследователи отслеживали их активность на разных стадиях развития клеток крови. Они обнаружили, что многие усилители активируют гены в одном типе клеток, но подавляют их в другом. Большинство усилителей действовали как регуляторы громкости, увеличивая или уменьшая активность генов, но некоторые комбинации работали как переключатели "вкл/выкл", что ученые называют "отрицательной синергией", когда два фактора, активирующие ген по отдельности, могут его отключить при совместном действии.