AI-ondersteunde genbewerking mogelijk gemaakt met ‘OpenCRISPR-1’

De CRISPR-revolutie

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) is een recent ontdekt hulpmiddel voor genetische bewerking. Het maakt zeer precieze en gerichte genbewerking mogelijk, en de ontdekkers hebben de Nobelprijs 2020 gewonnen.

Bron: Lab Associates

Het eerste ontdekte CRISPR-systeem was CRISPR-Cas9, en sindsdien zijn veel aangepaste CRISPR-systemen ontdekt of gecreëerd. U kunt meer lezen over de technische details van CRISPR in ons artikel “What Is CRISPR-Cas12a2? & Why Does It Matter?”

CRISPR staat aan de voorhoede van de genomische revolutie, met de eerste gen-therapieën die het nu goedkeuring krijgen voor bloedziekten, iets wat we uitvoerig hebben onderzocht in “How CRISPR Companies Target Sickle Cell Anemia”.

Sinds de ontdekking is het vinden van manieren om CRISPR te benutten om een specifiek gen of DNA-sequentie te wijzigen een moeizaam proces geweest, dat veel expertise en handmatig werk vereist. Maar dit kan veranderen, dankzij de snelle ontwikkeling van AI-tools.

AI + CRISPR

Onderzoekers van de Universiteit van Berkeley hebben onderzocht hoe LLM’s (Large Language Models) in combinatie met CRISPR-technologie kunnen worden gebruikt en hebben hun bevindingen gepubliceerd in het wetenschappelijke artikel “Design of highly functional genome editors by modeling the universe of CRISPR-Cas sequences.”

Meer precies, verzamelden ze een dataset van 1 miljoen CRISPR-operons uit databases met een totaal van 26 terabases aan genomen (26 biljoen genetische basen).

Vervolgens gebruikten ze de AI om miljoenen diverse CRISPR-achtige eiwitten te creëren die van nature niet bestaan, evenals “single-guide RNA‑sequenties voor Cas9-achtige effector‑eiwitten”.

Bij het testen van de praktische efficiëntie van deze nieuwe CRISPR-achtige eiwitten en RNA‑sequenties ontdekten ze dat de gegenereerde gen‑editors een vergelijkbare of verbeterde activiteit en specificiteit vertonen ten opzichte van SpCas9.

Waarom is dit belangrijk?

CRISPR-Cas9 werd aanvankelijk gevonden in bacteriën, die het gebruiken als verdediging tegen virussen.

Als gevolg hiervan kan het introduceren van CRISPR-Cas9 in een menselijke cel de genbewerking minder efficiënt maken dan in een bacteriële cel. Dit komt doordat de van nature voorkomende CRISPR-systemen allemaal bacterieel zijn en niet geoptimaliseerd voor functioneren in complexere cellen.

Dit betekent ook dat het waarschijnlijk is dat andere CRISPR-achtige systemen ontworpen kunnen worden om efficiëntere, preciezere of snellere resultaten te behalen dan het van nature voorkomende CRISPR-Cas9.

Echter, tot nu toe is de zoektocht naar dergelijke nieuwe CRISPR-achtige systemen beperkt gebleven tot het vinden van nieuwe bacteriële CRISPR’s zoals Cas12 (voorkeur van Editas Medicine), en we hopen dat ze krachtiger zijn dan de eerste ontdekte.

Met een AI die in staat is miljoenen nieuwe mogelijke sequenties te genereren, opent dit de mogelijkheid om het “perfecte” CRISPR-systeem voor gen‑therapieën bij mensen te vinden. En het zou ook het ontwerpen van een CRISPR-systeem geoptimaliseerd voor specifieke menselijke weefsels, en voor dier- of plantensoorten mogelijk kunnen maken.

Het zou ook de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe soorten genbewerking die niet mogelijk zijn met standaard CRISPR-Cas9, zoals base‑, prime‑ of epigenoom‑bewerking.

Genbewerking Open‑AI

Na het aantonen van het potentieel van een AI‑gegenereerde gen‑editor hebben de onderzoekers besloten deze publiek beschikbaar te maken.

Deze AI, compatibel met base‑editing, is genoemd OpenCRISPR-1.

Open CRISPR-1 – Bron: Profluent

Dit model werd gekoppeld aan de in Berkeley gevestigde startup Profluent, the AI-first protein design company. Het open‑source maken van OpenCRISPR-1 was een beslissing die gedeeld werd door de Berkeley‑onderzoekers en Profluent, in een poging de technologie te democratiseren.

U kunt de bestanden en documentatie over OpenCRISPR-1 vinden op the files and documentation about OpenCRISPR-1 on GitHub. Het is gratis te gebruiken, ook voor commerciële doeleinden, maar vereist een licentie‑overeenkomst om te monitoren of het hulpmiddel op een veilige en ethische manier wordt gebruikt.

AI‑ontworpen op maat gemaakte therapieën

Het potentieel van OpenCRISPR-1 is absoluut enorm, en op de lange termijn zou het de weg kunnen openen naar veel efficiëntere gen‑therapieën.

In plaats daarvan kunnen we ons voorstellen dat, in combinatie met de nu onder de $1.000 kostende individuele genoomsequencing, het gepersonaliseerde genbewerking mogelijk maakt. Dus het CRISPR‑systeem dat wordt gebruikt om genbewerking bij een individuele patiënt uit te voeren, zou kunnen worden afgestemd op zijn specifieke genoom, in plaats van een algemeen sjabloon dat voor iedereen wordt gebruikt.

Echter, het zal tijd kosten om dit te realiseren, zoals aangetoond door het decennium dat nodig was om van de ontdekking van CRISPR naar de eerste goedgekeurde therapieën te gaan. Genbewerking is nooit een risicoloze onderneming, en de FDA zal zeker voorzichtig zijn en veel data eisen voordat ze het gebruik van ongeteste genbewerkingssystemen bij mensen autoriseert.

CRISPR‑bedrijven

Profluent is (nog?) geen beursgenoteerd bedrijf, maar veel andere bedrijven zijn zeer actief in het ontwikkelen van CRISPR‑technologie tot commerciële producten.

1. CRISPR Therapeutics

Wat CRISPR Therapeutics onderscheidt is het sterrenteam van oprichters, waaronder Dr. Emmanuelle Charpentier, wiens baanbrekende onderzoek de sleutelmechanismen van de CRISPR‑Cas9‑technologie onthulde, waarmee de basis werd gelegd voor het gebruik van CRISPR‑Cas9 als een veelzijdig en nauwkeurig gen‑bewerkingsinstrument. Talrijke prijzen hebben haar werk erkend, waaronder de Breakthrough Prize in Life Science.

CRISPR Therapeutics ontwikkelt een efficiënt en veelzijdig CRISPR/Cas9‑gen‑bewerkingsplatform voor therapieën tegen hemoglobinopathieën, kanker, diabetes en andere ziekten.

De eerste therapie die zij ontwikkelden richtte zich op de bloedziekten β‑thalassemie en sikkelcelziekte.

Ze zijn nu goedgekeurd onder de commerciële naam Casgevy en voor beide toepassingen. Het eerste allogeneic CAR‑T‑programma van het bedrijf, gericht op B‑cel‑maligniteiten, bevindt zich ook in klinische proeven.

Hoewel sikkelcelziekte een ziekte is met een relatief kleine markt, kunnen ze, zodra de technologie volwassen is, zich richten op andere ziekte‑vectoren.

De vooruitgangen in CRISPR‑technologie, zoals OpenCRISPR-1, kunnen een groot voordeel zijn voor bedrijven met goedgekeurde producten zoals CRISPR Therapeutics en haar partner Vertex. Met een nieuw verbeterd CRISPR‑systeem zouden zij binnen enkele jaren de β‑thalassemie‑ en sikkelcelziekte‑therapieën kunnen upgraden. Het zou ook het bijbehorende intellectueel eigendom en patenten vernieuwen, waardoor Casgevy langer een winstgevend product kan blijven.

2. Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

Het bedrijf produceert op aanvraag organismen voor specifieke toepassingen. Het heeft zijn toepassingen breed gediversifieerd met vele onderzoeksprogramma’s en partnerschappen:

• Cannabinoïden
• mRNA‑vaccinproductie en nucleïnezuur‑geneeskunde
• Voedselproteïnen
• Productie van biologische meststoffen in samenwerking met Bayer
• Programmeerbare microben voor darmziekten
• Bioremediatie van microplastics
• Biosecurity en detectie van pathogenen
• Recycling van afval en verontreinigingen

Veel van deze modificaties maken gebruik van CRISPR of vergelijkbare genbewerkings‑technologieën, met name haar CAR‑T‑kankercel‑therapieën.

Door een kant‑klaar platform voor cel‑engineering te bieden, wordt Ginkgo een belangrijke dienstverlener in de biotech‑industrie, die verder gaat dan de farmaceutische sector en zich uitstrekt tot landbouw, biosecurity en industriële chemische processen. Het biedt expertise en snelheid en kan helpen de vaste kosten en de hoeveelheid kapitaaluitgaven die nodig zijn voor een onderzoeksproject te verlagen.

Dit wordt aangetoond door de zeer diverse reeks klanten en partners die het bedrijf de afgelopen jaren heeft gehad.

Bron: Gingko Bioworks

Het is een aantrekkelijk aandeel voor investeerders die willen inzetten op genbewerking en cel‑engineerings‑technologieën, maar niet op één specifieke toepassing. Dit is doorgaans ook interessanter voor groeigerichte investeerders.

Het verschijnen van open‑source, gratis tools zoals OpenCRISPR-1 kan een enorme impuls geven aan bedrijven als Gingko, die zich meer richten op het ontwikkelen van tientallen of honderden op maat gemaakte organismen en cellen dan op het pushen van een specifieke versie van CRISPR of één therapie in het bijzonder. Op deze manier kunnen ze snel CRISPR-toegang krijgen die specifiek is voor een plantensoort of effectiever op cannabinoïde‑genen, enz.