KI-gestütztes Genshredding ermöglicht durch ‘OpenCRISPR-1’

Die CRISPR-Revolution

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) ist ein kürzlich entdecktes Werkzeug für genetisches Editing. Es ermöglicht sehr präzises und gerichtetes Genediting, und seine Entdecker haben den Nobelpreis 2020 gewonnen.

Quelle: Lab Associates

Das ursprünglich entdeckte CRISPR-System war CRISPR-Cas9, und viele modifizierte CRISPR-Systeme wurden seitdem entdeckt oder erstellt. Sie können mehr über die technischen Details von CRISPR in unserem Artikel „Was ist CRISPR-Cas12a2? & Warum ist es wichtig“ erfahren.

CRISPR ist an der Spitze der genetischen Revolution, mit den ersten Gentherapien, die jetzt für Blutkrankheiten zugelassen werden, was wir in „Wie CRISPR-Unternehmen Sichelzellanämie bekämpfen“ ausführlich erforscht haben.

Seit seiner Entdeckung war es eine mühsame Aufgabe, herauszufinden, wie man CRISPR nutzen kann, um ein bestimmtes Gen oder eine DNA-Sequenz zu modifizieren, was viel Fachwissen und manuelle Arbeit erfordert. Aber das könnte sich ändern, dank der schnellen Entwicklung von KI-Tools.

KI + CRISPR

Forscher an der Universität Berkeley haben untersucht, wie man KI-Modelle (Large Language Models) in Kombination mit CRISPR-Technologie nutzen kann und ihre Ergebnisse in dem wissenschaftlichen Paper “Design of highly functional genome editors by modeling the universe of CRISPR-Cas sequences“ veröffentlicht.

Genauer gesagt, sammelten sie eine Datenbank von 1 Million CRISPR-Operons aus 26 Terabasen an Genomen (26 Billionen genetische Basen).

Dann nutzten sie die KI, um Millionen von diversen CRISPR-ähnlichen Proteinen zu erstellen, die nicht natürlich vorkommen, sowie “single-guide RNA-Sequenzen für Cas9-ähnliche Effektorproteine”.

Bei Tests der realen Effizienz dieser neuen CRISPR-ähnlichen Proteine und RNA-Sequenzen fanden sie heraus, dass die generierten Geneditoren eine vergleichbare oder verbesserte Aktivität und Spezifität im Vergleich zu SpCas9 zeigen.

Warum ist es wichtig?

CRISPR-Cas9 wurde ursprünglich in Bakterien gefunden, die es als Verteidigung gegen Viren nutzen.

Als Ergebnis kann die Einführung von CRISPR-Cas9 in eine menschliche Zelle das Genediting weniger effizient machen als in einer Bakterienzelle. Dies liegt daran, dass die natürlich vorkommenden CRISPR-Systeme alle bakteriell sind und nicht für die Funktion in komplexeren Zellen optimiert sind.

Dies bedeutet auch, dass es wahrscheinlich ist, dass andere CRISPR-ähnliche Systeme entworfen werden können, um effizientere, präzisere oder schnellere Ergebnisse als das natürlich vorkommende CRISPR-Cas9 zu erzielen.

Bis jetzt war die Suche nach solchen neuen CRISPR-ähnlichen Systemen jedoch auf die Entdeckung neuer bakterieller CRISPR-Systeme wie Cas12 (favorisiert von Editas Medicine) beschränkt, und wir hoffen, dass sie leistungsfähiger sind als das erste entdeckte System.

Mit einer KI, die Millionen von neuen möglichen Sequenzen generieren kann, eröffnet sich die Möglichkeit, das “perfekte” CRISPR-System für Gentherapien bei Menschen zu finden. Und es könnte auch ermöglichen, ein CRISPR-System zu entwerfen, das für spezifische menschliche Gewebe, Tiere oder Pflanzen optimiert ist.

Es könnte auch den Weg für neue Arten von Genediting ebnen, die nicht durch das Standard-CRISPR-Cas9 ermöglicht werden, wie Base-, Prime- oder Epigenom-Editing.

Genediting Open-KI

Nachdem sie das Potenzial eines von der KI generierten Geneditors demonstriert haben, haben die Forscher entschieden, es der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.

Dieses KI-kompatible Modell mit Base-Editing wurde OpenCRISPR-1 genannt.

Open CRISPR-1 – Quelle: Profluent

Dieses Modell wurde mit dem in Berkeley ansässigen Startup Profluent, dem KI-ersten Proteindesign-Unternehmen in Verbindung gebracht. Die Entscheidung, OpenCRISPR-1 als Open-Source-Software zu veröffentlichen, wurde von den Berkeley-Forschern und Profluent geteilt, um die Technologie zu demokratisieren.

Sie können die Dateien und Dokumentationen zu OpenCRISPR-1 auf GitHub finden. Es ist kostenlos zu verwenden, einschließlich kommerzieller Verwendung, aber erfordert eine Lizenzvereinbarung, um zu überwachen, ob das Tool auf sichere und ethische Weise verwendet wird.

KI-entworfene maßgeschneiderte Therapien

Das Potenzial von OpenCRISPR-1 ist absolut massiv und könnte langfristig den Weg zu viel effizienteren Gentherapien ebnen.

Stattdessen könnten wir uns vorstellen, dass es in Kombination mit den jetzt unter 1.000 Dollar kostenden Kosten für die Sequenzierung eines individuellen Genoms ermöglichen könnte, maßgeschneidertes Genediting zu ermöglichen. So könnte das CRISPR-System, das zum Genediting in einem individuellen Patienten verwendet wird, auf sein spezifisches Genom zugeschnitten werden, anstelle eines allgemeinen Vorlagen, der für jeden verwendet wird.

Es wird jedoch Zeit brauchen, um dies zu erreichen, wie durch die Dekade demonstriert, die es dauerte, von der Entdeckung von CRISPR zu den ersten zugelassenen Therapien. Genediting ist nie ein risikofreies Unterfangen, und die FDA wird sicherlich vorsichtig sein und viel Daten erfordern, bevor sie die Verwendung von ungetesteten Geneditsystemen bei Menschen genehmigt.

CRISPR-Unternehmen

Profluent ist (noch?) kein börsennotiertes Unternehmen, aber viele andere Unternehmen sind sehr aktiv daran, CRISPR-Technologie in kommerzielle Produkte umzusetzen.

1. CRISPR Therapeutics

Was CRISPR Therapeutics auszeichnet, ist das All-Star-Team der Gründer, zu dem Dr. Emmanuelle Charpentier gehört, deren grundlegende Forschung die Schlüsselmechanismen der CRISPR-Cas9-Technologie aufdeckte und den Grundstein für die Verwendung von CRISPR-Cas9 als vielseitiges und präzises Genediting-Tool legte. Zahlreiche Auszeichnungen haben ihre Arbeit anerkannt, einschließlich des Breakthrough-Preises in den Lebenswissenschaften.

CRISPR Therapeutics entwickelt eine effiziente und vielseitige CRISPR/Cas9-Genediting-Plattform für Therapien zur Behandlung von Hämoglobinopathien, Krebs, Diabetes und anderen Krankheiten.

Die erste Therapie, die sie vorantrieben, war auf die Blutkrankheiten β-Thalassämie und Sichelzellanämie ausgerichtet.

Sie wurden jetzt unter dem Handelsnamen Casgevy zugelassen und für beide Anwendungen. Das erste allogene CAR-T-Programm des Unternehmens zur Bekämpfung von B-Zell-Malignomen ist auch in klinischen Tests.

Während Sichelzellanämie eine Krankheit mit einem arg kleinen Markt ist, können sie, sobald die Technologie ausgereift ist, auf die Bekämpfung anderer Krankheiten umsteigen.

Die Fortschritte in der CRISPR-Technologie wie OpenCRISPR-1 können ein großer Vorteil für Unternehmen mit zugelassenen Produkten wie CRISPR Therapeutics und seinem Partner Vertex sein. Mit einem neuen, verbesserten CRISPR-System könnten sie in ein paar Jahren die Therapien für β-Thalassämie und Sichelzellanämie upgraden. Es würde auch die damit verbundenen Patente und Schutzrechte verlängern und es Casgevy ermöglichen, für längere Zeit ein profitables Produkt zu bleiben.

2. Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

Das Unternehmen produziert auf Anfrage Organismen für spezifische Anwendungen. Es hat seine Anwendungen weit diversifiziert und viele Forschungsprogramme und Partnerschaften:

• Cannabinoid
• mRNA-Impfstoffproduktion und Nukleinsäuremedizin
• Lebensmittelproteine
• Biologische Düngemittelproduktion in Partnerschaft mit Bayer
• Programmierbare Mikroben für Darmerkrankungen
• Mikroplastik-Bioremediation
• Biosecurity und Pathogenerkennung
• Abfallrecycling und -entsorgung

Viele dieser Modifikationen basieren auf CRISPR oder ähnlichen Gentechniken, insbesondere seine CAR-T-Krebstherapien.

Indem Ginkgo eine Plattform für Zelltechnik bereitstellt, wird es zu einem wichtigen Dienstleister in der Biotech-Industrie, der über die Pharmaindustrie hinausgeht und in die Landwirtschaft, Biosecurity und industrielle chemische Prozesse eindringt. Es bietet Expertise und Geschwindigkeit und kann helfen, Fixkosten und die Menge an Kapital, das für ein Forschungsprojekt benötigt wird, zu reduzieren.

Dies wird durch die sehr vielfältige Palette an Kunden und Partnern demonstriert, die das Unternehmen in den letzten Jahren hatte.

Quelle: Gingko Bioworks

Es ist ein attraktives Aktienpapier für Anleger, die auf Gentechnik und Zelltechnik setzen, aber nicht auf eine bestimmte Anwendung. Dies ist auch typischerweise interessanter für wachstumsorientierte Anleger.

Das Auftauchen von Open-Source-Tools wie OpenCRISPR-1 könnte für Unternehmen wie Ginkgo, die sich mehr auf die Entwicklung von zehn oder hundert maßgeschneiderten Organismen und Zellen konzentrieren als auf die Förderung einer bestimmten Version von CRISPR oder einer bestimmten Therapie, ein massiver Schub sein. Auf diese Weise könnte es schnell auf CRISPR zugreifen, das auf eine Pflanzenart oder effizienter auf Cannabinoide ausgerichtet ist.