L'IA rencontre CRISPR pour une édition précise des gènes
Une équipe de recherche dirigée par l'université de Zurich a mis au point une nouvelle méthode puissante pour modifier précisément l'ADN en combinant le génie génétique de pointe et l'intelligence artificielle. Cette technique ouvre la voie à une modélisation plus précise des maladies humaines et jette les bases des thérapies géniques de nouvelle génération.
Molécule neuronale marquée par fluorescence dans un têtard vivant, les couleurs représentant la profondeur d'imagerie. Le cerveau et les nerfs rachidiens apparaissent en haut, de couleur turquoise à violette.
Taiyo Yamamoto / Universität Zürich
L'édition précise et ciblée de l'ADN par de petites mutations ponctuelles ainsi que l'intégration de gènes entiers grâce à la technologie CRISPR/Cas offrent un grand potentiel d'applications en biotechnologie et en thérapie génique. Toutefois, il est très important que les "ciseaux à gènes" ne provoquent pas de modifications génétiques involontaires, mais qu'ils préservent l'intégrité génomique afin d'éviter les effets secondaires indésirables. Normalement, les cassures double brin de la molécule d'ADN sont réparées avec précision chez l'homme et les autres organismes. Mais il arrive que cette réparation de la jonction des extrémités de l'ADN entraîne des erreurs génétiques.
L'édition de gènes avec une précision nettement améliorée
Des scientifiques de l'Université de Zurich (UZH), de l'Université de Gand (Belgique) et de l'ETH Zurich ont mis au point une nouvelle méthode qui améliore considérablement la précision de l'édition du génome. Grâce à l'intelligence artificielle (IA), l'outil appelé "Pythia" prédit comment les cellules réparent leur ADN après qu'il a été coupé par des outils d'édition de gènes tels que CRISPR/Cas9. "Notre équipe a mis au point de minuscules modèles de réparation de l'ADN, qui agissent comme une colle moléculaire et guident la cellule pour qu'elle effectue des modifications génétiques précises", explique l'auteur principal, Thomas Naert, qui a été le pionnier de cette technologie à l'UZH et qui est actuellement post-doctorant à l'université de Gand.
Ces modèles conçus par l'IA ont d'abord été testés dans des cultures de cellules humaines, où ils ont permis des modifications et des intégrations de gènes très précises. L'approche a également été validée dans d'autres organismes, notamment chez le Xénope, une petite grenouille tropicale utilisée dans la recherche biomédicale, et chez des souris vivantes, où les chercheurs ont réussi à modifier l'ADN dans des cellules cérébrales.
L'IA peut apprendre et prédire les schémas de réparation de l'ADN
"La réparation de l'ADN suit des schémas ; elle n'est pas aléatoire. Et Pythia utilise ces schémas à notre avantage", explique M. Naert. Traditionnellement, lorsque CRISPR coupe l'ADN, les scientifiques s'appuient sur les mécanismes de réparation naturels de la cellule pour réparer la rupture. Bien que ces réparations suivent des schémas prévisibles, elles peuvent aboutir à des résultats indésirables, tels que la destruction des gènes environnants. "Ce que nous avons modélisé à grande échelle, c'est que ce processus de réparation de l'ADN obéit à des règles cohérentes que l'IA peut apprendre et prédire", explique Naert. Forts de ce constat, les chercheurs ont simulé des millions de résultats d'édition possibles à l'aide de l'apprentissage automatique, en posant une question simple mais puissante : Quelle est la manière la plus efficace d'apporter une petite modification spécifique au génome, compte tenu de la manière dont la cellule est susceptible de se réparer ?
Outre la modification de lettres individuelles du code génétique ou l'intégration d'un gène exogène, la méthode peut également être utilisée pour marquer par fluorescence des protéines spécifiques. "C'est incroyablement puissant", explique Naert, "car cela nous permet d'observer directement ce que font les protéines individuelles dans les tissus sains et malades". Un autre avantage de la nouvelle méthode est qu'elle fonctionne bien dans toutes les cellules, même dans les organes sans division cellulaire, comme le cerveau.
Une base pour développer des thérapies géniques précises
La Pythie tire son nom de la grande prêtresse de l'oracle du temple d'Apollon à Delphes dans l'Antiquité, que l'on consultait pour prédire l'avenir. De la même manière, ce nouvel outil permet aux scientifiques de prévoir les résultats de l'édition de gènes avec une précision remarquable. "Tout comme les météorologues utilisent l'IA pour prédire le temps qu'il fera, nous l'utilisons pour prévoir comment les cellules réagiront aux interventions génétiques. Ce type de pouvoir prédictif est essentiel si nous voulons que l'édition de gènes soit sûre, fiable et cliniquement utile", déclare Soeren Lienkamp, professeur à l'Institut d'anatomie de l'UZH et de l'ETH Zurich et auteur principal de l'étude.
"Ce qui nous enthousiasme le plus, ce n'est pas seulement la technologie elle-même, mais aussi les possibilités qu'elle ouvre. Pythia associe des prédictions d'IA à grande échelle à des systèmes biologiques réels. Des cellules cultivées aux animaux entiers, cette boucle étroite entre la modélisation et les points d'expérimentation devient de plus en plus utile, par exemple dans les thérapies géniques précises", ajoute Lienkamp. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour comprendre les maladies génétiques et mettre au point des thérapies géniques plus sûres et plus efficaces, y compris pour les maladies neurologiques.
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