L'intelligenza artificiale incontra la CRISPR per un editing genico preciso
Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Zurigo ha sviluppato un nuovo potente metodo per modificare con precisione il DNA, combinando l'ingegneria genetica all'avanguardia con l'intelligenza artificiale. Questa tecnica apre le porte a una modellazione più accurata delle malattie umane e pone le basi per le terapie geniche di prossima generazione.
Molecola neurale marcata in modo fluorescente ripresa in un girino vivo, con i colori che rappresentano la profondità dell'immagine. Il cervello e i nervi spinali appaiono in alto in turchese e viola.
Taiyo Yamamoto / Universität Zürich
L'editing preciso e mirato del DNA mediante piccole mutazioni puntiformi e l'integrazione di interi geni tramite la tecnologia CRISPR/Cas ha un grande potenziale per le applicazioni nelle biotecnologie e nella terapia genica. Tuttavia, è molto importante che le cosiddette "forbici geniche" non causino cambiamenti genetici indesiderati, ma mantengano l'integrità genomica per evitare effetti collaterali indesiderati. Normalmente, le rotture a doppio filamento nella molecola di DNA vengono riparate accuratamente nell'uomo e in altri organismi. A volte, però, questa riparazione della giunzione terminale del DNA dà luogo a errori genetici.
Editing genico con una precisione notevolmente migliorata
Ora, gli scienziati dell'Università di Zurigo (UZH), dell'Università di Gand in Belgio e del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato un nuovo metodo che migliora notevolmente la precisione dell'editing del genoma. Utilizzando l'intelligenza artificiale (AI), lo strumento chiamato "Pythia" prevede come le cellule riparano il loro DNA dopo che è stato tagliato da strumenti di editing genico come CRISPR/Cas9. "Il nostro team ha sviluppato minuscoli modelli di riparazione del DNA, che agiscono come una colla molecolare e guidano la cellula ad apportare precise modifiche genetiche", spiega l'autore principale Thomas Naert, pioniere della tecnologia presso l'UZH e attualmente post-doc presso l'Università di Gent.
Questi modelli progettati dall'intelligenza artificiale sono stati testati per la prima volta in colture di cellule umane, dove hanno consentito modifiche e integrazioni geniche estremamente precise. L'approccio è stato convalidato anche in altri organismi, tra cui lo Xenopus, una piccola rana tropicale utilizzata nella ricerca biomedica, e nei topi vivi, dove i ricercatori sono riusciti a modificare il DNA nelle cellule cerebrali.
L'intelligenza artificiale può imparare e prevedere i modelli di riparazione del DNA
"La riparazione del DNA segue schemi, non è casuale. E Pythia utilizza questi schemi a nostro vantaggio", afferma Naert. Tradizionalmente, quando CRISPR taglia il DNA, gli scienziati si affidano ai meccanismi di riparazione naturale della cellula per riparare la rottura. Sebbene queste riparazioni seguano schemi prevedibili, possono portare a risultati indesiderati, come la distruzione dei geni circostanti. "Ciò che abbiamo modellato su scala massiccia è che questo processo di riparazione del DNA obbedisce a regole coerenti che l'intelligenza artificiale può apprendere e prevedere", spiega Naert. Con questa intuizione, i ricercatori hanno simulato milioni di possibili risultati di editing utilizzando l'apprendimento automatico, ponendosi una domanda semplice ma potente: Qual è il modo più efficiente per apportare una specifica piccola modifica al genoma, considerato il modo in cui la cellula probabilmente si riparerà?
Oltre a modificare singole lettere del codice genetico o a integrare un gene esogeno, il metodo può essere utilizzato anche per etichettare in modo fluorescente proteine specifiche. "Questo è incredibilmente potente", dice Naert, "perché ci permette di osservare direttamente cosa fanno le singole proteine nei tessuti sani e malati". Un altro vantaggio del nuovo metodo è che funziona bene in tutte le cellule, anche in organi senza divisione cellulare, come il cervello.
Base per lo sviluppo di terapie geniche precise
La Pizia prende il nome dalla sacerdotessa dell'oracolo del tempio di Apollo a Delfi nell'antichità, che veniva consultata per predire il futuro. In modo simile, questo nuovo strumento consente agli scienziati di prevedere i risultati dell'editing genico con notevole precisione. "Proprio come i meteorologi usano l'intelligenza artificiale per prevedere il tempo, noi la usiamo per prevedere come le cellule risponderanno agli interventi genetici. Questo tipo di potere predittivo è essenziale se vogliamo che l'editing genico sia sicuro, affidabile e clinicamente utile", afferma Soeren Lienkamp, professore presso l'Istituto di Anatomia dell'UZH e il Politecnico di Zurigo e autore senior dello studio.
"Ciò che ci entusiasma di più non è solo la tecnologia in sé, ma anche le possibilità che apre. Pythia mette insieme previsioni AI su larga scala e sistemi biologici reali. Dalle cellule in coltura agli animali interi, questo stretto legame tra modellazione e sperimentazione sta diventando sempre più utile, ad esempio nelle terapie geniche di precisione", aggiunge Lienkamp. Questo lavoro crea nuove possibilità per la comprensione delle malattie genetiche e lo sviluppo di terapie geniche, anche per le malattie neurologiche, che siano più sicure ed efficaci.
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