CRISPRi‑geïnspireerd virtueel laboratorium “CREME”, klaar om de drempel voor grote doorbraken te verlagen

De CRISPR-revolutie

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) is een techniek voor gerichte genoombewerking. Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna ontvingen in 2020 de Nobelprijs voor Scheikunde voor de ontwikkeling van een methode voor genoombewerking. We bespraken dit in “Investeren in Nobelprijswinnende ontdekkingen: CRISPR voor gerichte genetische modificatie”.

Bron: Lab Associates

CRISPR-Cas9 werd een belangrijk instrument voor programmeerbare genoombewerking. Er bestaan ook andere natuurlijke en aangepaste CRISPR-systemen. Meer technische achtergrond staat in ons artikel “Wat is CRISPR-Cas12a2 en waarom is het belangrijk?”

CRISPR wordt inmiddels toegepast in goedgekeurde behandelingen voor bepaalde bloedziekten. Niet elke gentherapie gebruikt CRISPR. We bespraken de eerste Amerikaanse goedkeuringen in “FDA keurt gentherapieën voor sikkelcelziekte goed: het potentieel van CRISPR-Cas9”.

Een geschikte CRISPR-aanpak voor een bepaalde DNA-sequentie ontwerpen en toetsen vereist expertise en laboratoriumwerk. AI kan helpen kandidaten te selecteren, maar vervangt de experimentele validatie niet.

CRISPR en AI

Een voorbeeld van de combinatie van AI en genoombewerking is OpenCRISPR-1, een met AI ontworpen genbewerkend eiwit waarvan de sequentie beschikbaar werd gesteld . Dit is een ontworpen genbewerker, geen AI-programma dat op zichzelf elke gewenste CRISPR-behandeling ontwerpt.

CREME staat voor Cis-Regulatory Element Model Explanations. Het helpt onderzoekers de voorspellingen van modellen voor genregulatie te onderzoeken met computersimulaties . Daarbij worden grote aantallen DNA-verstoringen gesimuleerd om te zien hoe het model daarop reageert. Dat bewijst nog geen therapeutisch effect van een mutatie.

Het onderzoek werd uitgevoerd bij het Simons Center for Quantitative Biology van Cold Spring Harbor Laboratoryin New York, door Shushan Toneyan en Peter K. Koo, en verscheen in Nature Genetics onder de titel “Interpreting cis-regulatory interactions from large-scale deep neural networks”.

Peter Koo – Bron: CSHL

Opschalen van CRISPRi

CREME maakt virtuele verstoringsexperimenten mogelijk die qua opzet lijken op CRISPR-interferentie, oftewel CRISPRi.

Bij CRISPRi kan een katalytisch inactief Cas-eiwit de transcriptie van een gericht gen onderdrukken. De methode verschilt van RNA-interferentie, die via RNA op genexpressie ingrijpt.

CRISPRi kan inzicht geven in de functies van genen en hun rol in onder meer signaaloverdracht, stofwisseling en immuunreacties.

Grote CRISPRi-experimenten kosten tijd en middelen. Virtuele experimenten kunnen helpen bepalen welke hypotheses vervolgens in het laboratorium moeten worden onderzocht.

CREME verandert DNA-invoer voor een voorspellend model en meet de verandering in de voorspelde genactiviteit. Het onderzoekt daarmee de werking van het model, niet rechtstreeks de reactie van levende cellen.

Volgens Peter Koo zijn CRISPRi-experimenten in het laboratorium technisch lastig en beperkt door het aantal verstoringen dat uitvoerbaar is.

Virtuele verstoringen maakten in dit onderzoek honderdduizenden tests mogelijk. Die schaal is een voordeel van simulatie, maar de uitkomsten vragen om biologische toetsing.

Peter Koo – Assistent‑professor aan Cold Spring Harbor Laboratory.

Genoom op schaal begrijpen

In genetisch onderzoek zijn zeer veel mogelijke DNA-varianten en regulerende gebieden relevant. Het selecteren van de belangrijkste kandidaten is daardoor moeilijk.

Ondanks vooruitgang in genoomsequencing, multiomics, en laboratoriumautomatisering blijft het afzonderlijk toetsen van alle hypotheses tijdrovend.

CREME kan veel virtuele experimenten uitvoeren en zo gebieden aanwijzen die belangrijk zijn voor de voorspellingen van een model.

Samenwerking tussen AI-modellen

Onderzoekers combineren steeds vaker gespecialiseerde AI-methoden binnen één onderzoeksproject.

De uitvoer van het ene model kan als invoer dienen voor een ander, of worden onderzocht met een afzonderlijke interpretatiemethode.

In dit onderzoek gebruikten de auteurs CREME om het model Enformerte analyseren. Enformer voorspelt op basis van DNA-sequenties onder meer signalen die samenhangen met genexpressie.

Deze combinatie hielp het team regels en interacties te identificeren die Enformer had geleerd. Die regels zijn niet automatisch een volledige beschrijving van de werkelijke biologie.

Dat is nuttig omdat de interne besluitvorming van diepe neurale netwerken vaak moeilijk te interpreteren is.

Beter inzicht in genregulatie kan helpen bij het ontwerpen van gerichte vervolgexperimenten met bijvoorbeeld CRISPRi.

Peter Koo benadrukte dat inzicht in de regels van genregulatie meer mogelijkheden biedt om genexpressie gericht en voorspelbaar aan te passen.

Peter Koo — assistent-professor aan Cold Spring Harbor Laboratory.

Deze hulpmiddelen kunnen bijdragen aan nieuwe hypotheses en mogelijke therapeutische doelwitten. Of die bruikbaar zijn, moet experimenteel en klinisch worden onderzocht.

Minder afhankelijk van laboratoriumfaciliteiten?

Computermethoden kunnen onderzoekers zonder directe toegang tot gespecialiseerde genetische laboratoria laten bijdragen aan de eerste analyse en hypothesevorming.

Toegang tot financiering, rekenkracht, gegevens en laboratoria verschilt tussen instellingen. Samenwerking kan helpen die beperkingen te overbruggen.

Hulpmiddelen als CREME kunnen daarom een bredere groep onderzoekers ondersteunen. Laboratoriumonderzoek blijft nodig om voorspellingen te controleren; de beschikbare middelen verschillen ook binnen landen en regio’s.

Mogelijke onderzoeksgebieden zijn toepassingen van CRISPR en CRISPRi in de landbouw en synthetische biologie.

Investeren in CRISPR

De eerste goedgekeurde CRISPR-behandelingen hebben veel aandacht gevestigd op erfelijke bloedziekten en gentherapie.

Andere onderzoeksgebieden omvatten kanker, stofwisselingsziekten, landbouw en synthetische biologie. De ontwikkelingsfase en risico’s verschillen sterk per toepassing.

Aandelen van ondernemingen die aan CRISPR werken zijn via verschillende brokers verkrijgbaar. Op securities.iovindt u vergelijkingen van brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Wie bredere blootstelling aan biotechnologie zoekt, kan ook fondsen onderzoeken zoals WisdomTree BioRevolution UCITS ETF (WBIO) , VanEck Biotech ETF (BBH), of First Trust NYSE Arca Biotechnology Index Fund (FBT)  . Zulke fondsen spreiden beleggingen over meerdere ondernemingen, maar verschillen in samenstelling, kosten en risico’s.

Zie ook ons artikel “Top 5 CRISPR-bedrijven om in te investeren”.

CRISPR-bedrijven

1. CRISPR Therapeutics

Tot de oprichters van CRISPR Therapeutics (CRSP ) behoort dr. Emmanuelle Charpentier. Haar onderzoek hielp de basis leggen voor CRISPR-Cas9 als instrument voor gerichte genoombewerking. Zij ontving hiervoor meerdere onderscheidingen, waaronder de Nobelprijs en de Breakthrough Prize in Life Sciences.

CRISPR Therapeutics ontwikkelt behandelingen op basis van CRISPR-Cas9 voor onder meer hemoglobinopathieën, kanker en diabetes.

Een belangrijk programma richtte zich op bèta-thalassemie en sikkelcelziekte.

De behandeling wordt samen met Vertex aangeboden onder de naam Casgevy . De FDA keurde Casgevy in december 2023 goed voor bepaalde patiënten vanaf twaalf jaar met sikkelcelziekte en in januari 2024 voor transfusieafhankelijke bèta-thalassemie. Het bedrijf onderzocht daarnaast allogene CAR-T-behandelingen voor onder meer B-celmaligniteiten.

Bron: CRISPR Therapeutics

Sikkelcelziekte veroorzaakt wereldwijd een aanzienlijke ziektelast. De bereikbare markt voor een intensieve behandeling hangt echter af van geschiktheid, prijs, infrastructuur en toegang tot zorg.

Onderzoeksmethoden zoals CREME kunnen op termijn nuttig zijn voor bedrijven als CRISPR Therapeutics en partner Vertex. Het onderzoek toont echter geen concrete verbetering van Casgevy aan en bewijst evenmin dat patenten of commerciële exclusiviteit daardoor worden verlengd.

2. Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

Ginkgo ontwikkelt platforms en diensten voor celprogrammering en werkt met partners aan uiteenlopende toepassingen, waaronder:

• Cannabinoïden
• productie van mRNA‑vaccins en nucleïnezuurmedicijnen
• Voedselproteïnen
• Productie van biologische meststoffen in samenwerking met Bayer
• Programmeerbare microben voor darmziekten
• Biologische alternatieven voor microplastics en onderzoek naar afbraak van verontreinigingen
• Biosecurity en detectie van pathogenen
• Recycling van afval en verontreinigingen

Genbewerking kan bij verschillende van deze projecten een rol spelen. De onderneming ondersteunt ook partners bij de ontwikkeling van celtherapieën, waaronder CAR-T-onderzoek.

Met haar platform biedt Ginkgo diensten voor celontwikkeling in de farmaceutische industrie, landbouw, bioveiligheid en industriële biotechnologie. Deze diensten kunnen ontwikkelwerk ondersteunen, maar kostenbesparingen en succes hangen af van het project.

De uiteenlopende samenwerkingen laten zien hoe breed de mogelijke toepassingen zijn. Ze betekenen niet dat alle onderzoeksprogramma’s al commerciële producten hebben opgeleverd.

Bron: Ginkgo Bioworks

Het aandeel biedt blootstelling aan een breed platform voor celprogrammering. Beleggers moeten daarbij ook de financiële positie, uitvoering en commerciële risico’s beoordelen.

Beschikbare hulpmiddelen zoals CREME, Enformer en OpenCRISPR-1 kunnen aanvullend onderzoek ondersteunen. Het gaat om verschillende soorten hulpmiddelen met eigen voorwaarden en beperkingen, niet om onderling uitwisselbare systemen.

Mogelijke toepassingen omvatten onderzoek naar plantengenen, cannabinoïden en enzymen. De geschiktheid van een voorspelling of genbewerker moet voor iedere toepassing afzonderlijk worden getest.