Γενετική Επεξεργασία με Υποστήριξη AI Κατόρθωσε με το ‘OpenCRISPR-1’

Η Επανάσταση CRISPR

CRISPR (Συσσωματωμένα Τακτικά Διασπασμένα Σύντομα Παλίνδρομα Επαναλαμβανόμενα Στοιχεία) είναι ένα πρόσφατα ανακαλυφθέν εργαλείο για γενετική επεξεργασία. Επιτρέπει πολύ ακριβή και στοχευμένη επεξεργασία γονιδίων, και οι ανακαλύπτες του κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ 2020.

Πηγή: Lab Associates

Το αρχικό σύστημα CRISPR που ανακαλύφθηκε ήταν το CRISPR‑Cas9, και από τότε έχουν ανακαλυφθεί ή δημιουργηθεί πολλά τροποποιημένα συστήματα CRISPR. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τις τεχνικές λεπτομέρειες του CRISPR στο άρθρο μας «Τι είναι το CRISPR‑Cas12a2; & Γιατί είναι σημαντικό;»

Το CRISPR βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της γενετικής επανάστασης, με τις πρώτες θεραπείες γονιδίων που το χρησιμοποιούν να εγκρίνονται τώρα για αιματικές παθήσεις, κάτι που εξετάσαμε σε βάθος στο «Πώς οι εταιρείες CRISPR στοχεύουν στην αναιμία σικελικού κυττάρου».

Από την ανακάλυψή του, η εύρεση τρόπου αξιοποίησης του CRISPR για την τροποποίηση ενός συγκεκριμένου γονιδίου ή αλληλουχίας DNA ήταν μια επίπονη διαδικασία, απαιτώντας μεγάλη εξειδίκευση και χειροκίνητη εργασία. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αλλάξει, χάρη στην ταχεία ανάπτυξη εργαλείων AI.

AI + CRISPR

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Berkeley έχουν διερευνήσει τη χρήση LLM (Μεγάλων Μοντέλων Γλώσσας) σε συνδυασμό με την τεχνολογία CRISPR και δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο επιστημονικό άρθρο «Σχεδίαση εξαιρετικά λειτουργικών επεξεργαστών γονότυπου μοντελοποιώντας το σύμπαν των ακολουθιών CRISPR‑Cas».

Πιο συγκεκριμένα, συνέλεξαν ένα σύνολο δεδομένων με 1 εκατομμύριο λειτουργικές μονάδες CRISPR από βάσεις δεδομένων γονότυπων αξίας 26 τεραβάσεων (26 τρισεκατομμύρια γενετικές βάσεις).

Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν το AI για να δημιουργήσουν εκατομμύρια διαφορετικές πρωτεΐνες παρόμοιες με το CRISPR που δεν υπάρχουν φυσικά, καθώς και «αλληλουχίες μονοκατευθυντικού RNA για πρωτεΐνες εφέκτου παρόμοιες με το Cas9».

Δοκιμάζοντας την πραγματική αποδοτικότητα αυτών των νέων πρωτεϊνών παρόμοιων με το CRISPR και των αλληλουχιών RNA, διαπίστωσαν ότι οι παραγόμενοι επεξεργαστές γονιδίων παρουσιάζουν συγκρίσιμη ή βελτιωμένη δραστηριότητα και ειδικότητα σε σχέση με το SpCas9.

Γιατί είναι σημαντικό;

Το CRISPR‑Cas9 αρχικά βρέθηκε σε βακτήρια, τα οποία το χρησιμοποιούν ως άμυνα ενάντια σε ιούς.

Ως αποτέλεσμα, η εισαγωγή του CRISPR‑Cas9 σε ανθρώσιο κύτταρο μπορεί να κάνει την επεξεργασία γονιδίων λιγότερο αποδοτική από ό,τι σε βακτηριακό κύτταρο. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φυσικά συστήματα CRISPR είναι όλα βακτηριακά και δεν είναι βελτιστοποιημένα για λειτουργία σε πιο σύνθετα κύτταρα.

Αυτό επίσης σημαίνει ότι είναι πιθανό άλλα συστήματα παρόμοια με το CRISPR να σχεδιαστούν ώστε να προσφέρουν πιο αποδοτικά, πιο ακριβή ή ταχύτερα αποτελέσματα από το φυσικά υπάρχον CRISPR‑Cas9.

Ωστόσο, μέχρι τώρα, η αναζήτηση τέτοιων νέων συστημάτων παρόμοιων με το CRISPR περιορίστηκε στην εύρεση νέων βακτηριακών CRISPR όπως το Cas12 (προτιμώμενο από την Editas Medicine), και ελπίζουμε να είναι πιο ισχυρά από το πρώτο που ανακαλύφθηκε.

Με ένα AI που μπορεί να δημιουργήσει εκατομμύρια νέες πιθανές αλληλουχίες, ανοίγει η δυνατότητα εύρεσης του «τέλειου» συστήματος CRISPR για γονιδιακές θεραπείες σε ανθρώπους. Μπορεί επίσης να επιτρέψει το σχεδιασμό ενός συστήματος CRISPR βελτιστοποιημένου για συγκεκριμένα ανθρώπινα ιστούς, καθώς και για ζώα ή φυτά.

Θα μπορούσε επίσης να ανοίξει το δρόμο για νέους τύπους γονιδιακής επεξεργασίας που δεν επιτρέπονται από το τυπικό CRISPR‑Cas9, όπως η επεξεργασία βάσης, η prime editing ή η επεξεργασία του επιγενόμου.

Γενετική Επεξεργασία Open‑AI

Αφού απέδειξαν το δυναμικό ενός AI‑δημιουργημένου επεξεργαστή γονιδίων, οι ερευνητές αποφάσισαν να το διαθέσουν στο κοινό.

Αυτό το AI, συμβατό με επεξεργασία βάσης, ονομάστηκε OpenCRISPR‑1.

Open CRISPR-1 – Πηγή: Profluent

Αυτό το μοντέλο συνδέθηκε με την εταιρεία νεοφυούς επιχειρηματικότητας Profluent, με έδρα το Berkeley, η οποία είναι εταιρεία σχεδίασης πρωτεϊνών με προτεραιότητα το AI. Η απόφαση να γίνει το OpenCRISPR‑1 λογισμικό ανοιχτού κώδικα λήφθηκε από κοινού από τους ερευνητές του Berkeley και την Profluent, με στόχο τη δημοκρατικοποίηση της τεχνολογίας.

Μπορείτε να βρείτε τα αρχεία και την τεκμηρίωση του OpenCRISPR‑1 στο GitHub. Είναι δωρεάν για χρήση, συμπεριλαμβανομένης της εμπορικής, αλλά απαιτεί συμφωνία άδειας προκειμένου να παρακολουθείται αν το εργαλείο χρησιμοποιείται με ασφαλή και ηθικό τρόπο.

Προσαρμοσμένες Θεραπείες Σχεδιασμένες με AI

Το δυναμικό του OpenCRISPR‑1 είναι εξαιρετικά τεράστιο, και σε μακροπρόθεσμη βάση μπορεί να ανοίξει το δρόμο για πολύ πιο αποδοτικές γονιδιακές θεραπείες.

Αντίθετα, μπορούμε να φανταστούμε ότι σε συνδυασμό με το τρέχον κόστος κάτω των $1.000 για ατομική αλληλούχιση γονότυπου, θα μπορούσε να επιτρέψει προσαρμοσμένη γονιδιακή επεξεργασία. Έτσι, το σύστημα CRISPR που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία γονιδίων σε έναν συγκεκριμένο ασθενή θα μπορούσε να προσαρμοστεί στο του συγκεκριμένο γονότυπο, αντί για ένα γενικό πρότυπο που χρησιμοποιείται για όλους.

Ωστόσο, θα χρειαστεί χρόνος για να συμβεί αυτό, όπως δείχνει η δεκαετία που χρειάστηκε για να περάσει από την ανακάλυψη του CRISPR στην έγκριση των πρώτων θεραπειών. Η γονιδιακή επεξεργασία δεν είναι ποτέ μια ενέργεια χωρίς κίνδυνο, και η FDA σίγουρα θα είναι προσεκτική και θα απαιτήσει πολλά δεδομένα πριν εγκρίνει τη χρήση αδοκίμαστων συστημάτων γονιδιακής επεξεργασίας σε ανθρώπους.

Εταιρείες CRISPR

Η Profluent δεν είναι (ακόμη;) εισηγμένη εταιρεία, αλλά πολλές άλλες εταιρείες είναι πολύ ενεργές στην ανάπτυξη της τεχνολογίας CRISPR σε εμπορικά προϊόντα.

1. CRISPR Therapeutics

Αυτό που ξεχωρίζει την CRISPR Therapeutics είναι η ομάδα ιδρυτών κορυφαίων επιστημόνων, η οποία περιλαμβάνει τη Δρ. Emmanuelle Charpentier, της οποίας η θεμελιώδης έρευνα αποκάλυψε τους βασικούς μηχανισμούς της τεχνολογίας CRISPR‑Cas9, θέτοντας τα θεμέλια για τη χρήση του CRISPR‑Cas9 ως ένα ευέλικτο και ακριβές εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας. Πολλές βραβεύσεις έχουν αναγνωρίσει το έργο της, συμπεριλαμβανομένου του Breakthrough Prize in Life Science.

Η CRISPR Therapeutics αναπτύσσει μια αποδοτική και ευέλικτη πλατφόρμα γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR/Cas9 για θεραπείες που αντιμετωπίζουν αιμοσφαιρινοπάθειες, καρκίνο, διαβήτη και άλλες ασθένειες.

Η πρώτη θεραπεία που προωθούσαν στόχευε τις αιματικές παθήσεις β‑θαλασαιμία και σικελική κυτταρική αναιμία.

Τώρα έχουν εγκριθεί υπό το εμπορικό όνομα Casgevy και για τις δύο εφαρμογές. Το πρώτο αλογενετικό πρόγραμμα CAR‑T της εταιρείας, που στοχεύει σε κακοήθειες των Β‑κυττάρων, βρίσκεται επίσης σε κλινικές δοκιμές.

Παρόλο που η σικελική κυτταρική αναιμία είναι μια ασθένεια με ενδεχομένως μικρή αγορά, όταν η τεχνολογία ωριμάσει μπορούν να προχωρήσουν στο στόχευση άλλων μορίων ασθενειών.

Οι προόδους στην τεχνολογία CRISPR, όπως το OpenCRISPR‑1, μπορούν να αποτελέσουν μεγάλο πλεονέκτημα για εταιρείες με εγκεκριμένα προϊόντα όπως η CRISPR Therapeutics και ο συνεργάτης της Vertex. Με ένα νέο βελτιωμένο σύστημα CRISPR, θα μπορούσαν σε λίγα χρόνια να αναβαθμίσουν τις θεραπείες β‑θαλασαιμίας και σικελικής κυτταρικής αναιμίας. Θα ανανεώσει επίσης την σχετική πνευματική ιδιοκτησία και τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας, επιτρέποντας στο Casgevy να παραμείνει κερδοφόρο προϊόν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

2. Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

Η εταιρεία παράγει οργανισμούς κατόπιν ζήτησης για συγκεκριμένες εφαρμογές. Έχει διαφοροποιήσει τις εφαρμογές της ευρέως με πολλά ερευνητικά προγράμματα και συνεργασίες:

• Κανναβινοειδή
• Παραγωγή εμβολίων mRNA και φαρμάκων νουκλεϊκού οξέος
• Πρωτεΐνες τροφίμων
• Παραγωγή βιολογικών λιπασμάτων σε συνεργασία με τη Bayer
• Προγραμματιζόμενα μικρόβια για παθήσεις του εντέρου
• Βιοαποκατάσταση μικροπλαστικών
• Βιοασφάλεια και ανίχνευση παθογόνων
• Ανακύκλωση αποβλήτων και ρύπων

Πολλές από αυτές τις τροποποιήσεις βασίζονται στο CRISPR ή σε παρόμοιες τεχνολογίες γονιδιακής επεξεργασίας, ιδιαίτερα στις θεραπείες CAR‑T κατά του καρκίνου.

Παρέχοντας μια έτοιμη πλατφόρμα για μηχανική κυττάρων, η Ginkgo γίνεται κύριος πάροχος υπηρεσιών στη βιοτεχνολογική βιομηχανία, υπερβαίνοντας τη φαρμακευτική βιομηχανία και επεκτεινόμενη στη γεωργία, τη βιοασφάλεια και τις βιομηχανικές χημικές διεργασίες. Παρέχει εξειδίκευση και ταχύτητα και μπορεί να βοηθήσει στη μείωση των σταθερών εξόδων και της ποσότητας κεφαλαιακών επενδύσεων που απαιτούνται για ένα ερευνητικό έργο.

Αυτό αποδεικνύεται από το πολύπλοκο φάσμα πελατών και συνεργατών που η εταιρεία έχει κατά τα τελευταία χρόνια.

Πηγή: Gingko Bioworks

Αποτελεί ελκυστική μετοχή για επενδυτές που επιθυμούν να στοιχηματίσουν σε τεχνολογίες γονιδιακής επεξεργασίας και μηχανικής κυττάρων, αλλά όχι για μία συγκεκριμένη εφαρμογή. Αυτό είναι επίσης συνήθως πιο ενδιαφέρον για επενδυτές που εστιάζουν στην ανάπτυξη.

Η εμφάνιση ανοιχτού κώδικα, δωρεάν εργαλείων όπως το OpenCRISPR‑1 θα μπορούσε να αποτελέσει τεράστια ώθηση για εταιρείες όπως η Ginkgo, οι οποίες εστιάζουν περισσότερο στην ανάπτυξη δεκάδων ή εκατοντάδων προσαρμοσμένων οργανισμών και κυττάρων παρά στην προώθηση μιας συγκεκριμένης έκδοσης του CRISPR ή μιας συγκεκριμένης θεραπείας. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαν γρήγορα να αποκτήσουν πρόσβαση σε CRISPR ειδικό για ένα φυτικό είδος ή πιο αποτελεσματικό σε γονίδια κανναβινοειδών, κ.λπ.