L’editing genetico velocizzato, tutto grazie all’intelligenza artificiale

I ricercatori della NYU Grossman School of Medicine e dell’Università di Toronto hanno progettato lo strumento e dicono che accelererà lo sviluppo di terapie genetiche a livello globale. Malattie come la fibrosi cistica, la malattia di Tay-Sachs e l’anemia falciforme, sono causate da errori nell’ordine delle lettere del DNA che codifica le istruzioni operative di ogni cellula umana. In alcuni casi gli scienziati possono correggere questi errori con metodi di editing genico in modo da permettere la riorganizzazione di questi codici. Altre condizioni sono causate non da un errore nel codice in sé, ma da problemi nel modo in cui le cellule leggono il DNA. Un gene, che fornisce la ricetta per una particolare proteina, spesso collabora con molecole chiamate fattori di trascrizione che indicano alla cellula la quantità di quella proteina da produrre. Quando questo processo va storto, i geni sovra o sottoattivi contribuiscono al diabete, al cancro e ai disturbi neurologici. Di conseguenza, i ricercatori stanno esplorando modi per ripristinare la normale attività epigenetica.

l’AI progetta le dita di zinco customizzate

Una di queste tecniche è l’editing delle dita di zinco, che può sia modificare che controllare i geni. Tra le strutture proteiche più abbondanti nel corpo umano, le dita di zinco possono guidare la riparazione del DNA afferrando enzimi simili a forbici e dirigendoli a tagliare segmenti difettosi dal codice. Allo stesso modo, le dita di zinco possono anche agganciarsi ai fattori di trascrizione e tirarli verso un segmento di gene da regolare. Personalizzando queste istruzioni, gli ingegneri genetici possono adattare l’attività di qualsiasi gene. Un inconveniente, tuttavia, è che le dita di zinco artificiali sono difficili da progettare per un compito specifico. Poiché queste proteine si attaccano al DNA in gruppi complessi, i ricercatori dovrebbero essere in grado di stabilire, tra le innumerevoli combinazioni possibili, come ogni dito di zinco interagisce con i suoi vicini per ogni cambiamento genetico desiderato. La nuova tecnologia degli autori dello studio, chiamata ZFDesign, supera questo ostacolo utilizzando l’intelligenza artificiale (AI) per modellare e progettare queste interazioni. Il modello si basa sui dati generati dallo screening di quasi 50 miliardi di possibili interazioni dito di zinco-DNA nei laboratori dei ricercatori.

“Il nostro programma è in grado di identificare il giusto raggruppamento di dita di zinco per qualsiasi modifica, rendendo questo tipo di editing genico più veloce che mai”.

“Il nostro programma è in grado di identificare il giusto raggruppamento di dita di zinco per qualsiasi modifica, rendendo questo tipo di editing genico più veloce che mai”, afferma l’autore principale dello studio David Ichikawa.

La differenza tra il nuovo ZFDesign e le altre tecnologie di AI genetiche

Ichikawa osserva che l’editing con le dita di zinco offre un’alternativa potenzialmente più sicura a CRISPR, una tecnologia chiave per l’editing genico con applicazioni che vanno dalla ricerca di nuovi modi per uccidere le cellule tumorali alla progettazione di colture più nutrienti. A differenza delle dita di zinco, interamente di origine umana, CRISPR, acronimo di clustered regularly interspaced short palindromic repeat, si basa su proteine batteriche per interagire con il codice genetico. Queste proteine “estranee” potrebbero innescare i sistemi di difesa immunitaria dei pazienti, che potrebbero attaccarle come qualsiasi altra infezione e portare a pericolose infiammazioni. Gli autori dello studio aggiungono che, oltre a rappresentare un rischio immunitario minore, le dimensioni ridotte degli strumenti a dita di zinco possono anche fornire tecniche di terapia genica più flessibili rispetto a CRISPR, consentendo più modi di distribuire gli strumenti alle cellule giuste dei pazienti.

“Grazie all’accelerazione della progettazione delle dita di zinco e alle loro dimensioni ridotte, il nostro sistema apre la strada all’utilizzo di queste proteine per controllare più geni contemporaneamente”, afferma Marcus Noyes, autore principale dello studio. “In futuro, questo approccio potrebbe aiutare a correggere malattie che hanno cause genetiche multiple, come le malattie cardiache, l’obesità e molti casi di autismo”.

I test per progettare e perfezionare ZFDesign

Per testare il codice di progettazione AI del computer, Noyes e il suo team hanno utilizzato un dito di zinco personalizzato per interrompere la sequenza di codifica di un gene nelle cellule umane. Inoltre, hanno costruito diverse dita di zinco che hanno riprogrammato con successo i fattori di trascrizione in modo che si legassero alla sequenza di un gene bersaglio e ne aumentassero o diminuissero l’espressione, dimostrando che la loro tecnologia può essere utilizzata per i cambiamenti epigenetici. Noyes, professore del Dipartimento di Biochimica e Farmacologia Molecolare della NYU Langone, avverte che, sebbene promettenti, le dita di zinco possono essere difficili da controllare. Poiché non sono sempre specifici per un singolo gene, alcune combinazioni possono influenzare le sequenze di DNA al di là di un particolare bersaglio, portando a cambiamenti involontari nel codice genetico. Di conseguenza, Noyes dice che il team ha in programma di perfezionare il programma di intelligenza artificiale in modo da poter costruire raggruppamenti di dita di zinco più precisi che spingano solo alla modifica desiderata.

 

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