A IA encontra-se com a CRISPR para uma edição genética precisa
Uma equipa de investigação liderada pela Universidade de Zurique desenvolveu um novo e poderoso método para editar com precisão o ADN, combinando engenharia genética de ponta com inteligência artificial. Esta técnica abre a porta a uma modelação mais exacta das doenças humanas e lança as bases para as terapias genéticas da próxima geração.
Imagem de uma molécula neural marcada com fluorescência num girino vivo, com as cores a representar a profundidade da imagem. O cérebro e os nervos espinais aparecem perto do topo em turquesa a púrpura.
Taiyo Yamamoto / Universität Zürich
A edição precisa e direcionada do ADN através de pequenas mutações pontuais, bem como a integração de genes inteiros através da tecnologia CRISPR/Cas, tem um grande potencial para aplicações em biotecnologia e terapia genética. No entanto, é muito importante que as chamadas "tesouras de genes" não causem alterações genéticas indesejadas, mas mantenham a integridade genómica para evitar efeitos secundários indesejados. Normalmente, as quebras de cadeia dupla na molécula de ADN são reparadas com precisão nos seres humanos e noutros organismos. Mas, ocasionalmente, esta reparação da junção das extremidades do ADN resulta em erros genéticos.
Edição de genes com uma precisão muito melhorada
Atualmente, cientistas da Universidade de Zurique (UZH), da Universidade de Ghent, na Bélgica, e da ETH Zurich desenvolveram um novo método que melhora consideravelmente a precisão da edição do genoma. Utilizando inteligência artificial (IA), a ferramenta denominada "Pythia" prevê a forma como as células reparam o seu ADN depois de este ser cortado por ferramentas de edição de genes como a CRISPR/Cas9. "A nossa equipa desenvolveu modelos minúsculos de reparação do ADN, que actuam como cola molecular e orientam a célula para fazer alterações genéticas precisas", afirma o autor principal Thomas Naert, pioneiro da tecnologia na UZH e atualmente em pós-doutoramento na Universidade de Gent.
Estes modelos concebidos por IA foram testados pela primeira vez em culturas de células humanas, onde permitiram edições e integrações de genes altamente precisas. A abordagem foi também validada noutros organismos, incluindo o Xenopus, uma pequena rã tropical utilizada na investigação biomédica, e em ratos vivos, onde os investigadores editaram com sucesso o ADN em células cerebrais.
A IA pode aprender e prever padrões de reparação do ADN
"A reparação do ADN segue padrões; não é aleatória. E o Pythia utiliza estes padrões em nosso benefício", afirma Naert. Tradicionalmente, quando o CRISPR corta o ADN, os cientistas confiam nos mecanismos naturais de reparação da célula para corrigir a quebra. Embora estas reparações sigam padrões previsíveis, podem ter resultados indesejados, como a destruição dos genes circundantes. "O que modelámos em grande escala é que este processo de reparação do ADN obedece a regras consistentes que a IA pode aprender e prever", afirma Naert. Com este conhecimento, os investigadores simularam milhões de resultados de edição possíveis utilizando a aprendizagem automática, colocando uma questão simples mas poderosa: Qual é a forma mais eficiente de fazer uma pequena alteração específica no genoma, tendo em conta a probabilidade de a célula se reparar a si própria?
Para além de alterar letras individuais do código genético ou de integrar um gene exógeno, o método também pode ser utilizado para marcar com fluorescência proteínas específicas. "Isto é incrivelmente poderoso", diz Naert, "porque nos permite observar diretamente o que as proteínas individuais estão a fazer em tecidos saudáveis e doentes". Outra vantagem do novo método é o facto de funcionar bem em todas as células - mesmo em órgãos sem divisão celular, como o cérebro.
Base para o desenvolvimento de terapias genéticas de precisão
O nome Pythia vem da alta sacerdotisa do oráculo do Templo de Apolo de Delfos, na Antiguidade, que era consultada para prever o futuro. De uma forma semelhante, esta nova ferramenta permite aos cientistas prever os resultados da edição de genes com uma precisão notável. "Tal como os meteorologistas utilizam a IA para prever o tempo, estamos a utilizá-la para prever a forma como as células responderão às intervenções genéticas. Este tipo de poder de previsão é essencial se quisermos que a edição de genes seja segura, fiável e clinicamente útil", afirma Soeren Lienkamp, professor do Instituto de Anatomia da UZH e da ETH Zurich e autor sénior do estudo.
"O que mais nos entusiasma não é apenas a tecnologia em si, mas também as possibilidades que abre. O Pythia reúne a previsão de IA em grande escala com sistemas biológicos reais. Desde as células em cultura até aos animais inteiros, este ciclo estreito entre a modelização e os pontos de experimentação está a tornar-se cada vez mais útil, por exemplo, em terapias genéticas precisas", acrescenta Lienkamp. Este trabalho cria novas possibilidades para compreender as doenças genéticas e desenvolver terapias genéticas, também para doenças neurológicas, que sejam mais seguras e mais eficazes.
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