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AI 成功改寫人類 DNA:全球首個基因編輯器開源,近 5 倍蛋白質宇宙 LLM 全生成

來源: 責編: 時間:2024-04-29 16:11:28 203觀看
導讀 【新智元導讀】剛剛,分子生物學界引爆核彈級消息:人類的 DNA,已經能由 AI 重新改寫了!初創公司 Profluent 宣布開源了世界首個 AI 設計基因編輯器,成功編輯了人類細胞中的 DNA。這可太科幻了,如果有機會,你會選擇「

【新智元導讀】剛剛,分子生物學界引爆核彈級消息:人類的 DNA,已經能由 AI 重新改寫了!初創公司 Profluent 宣布開源了世界首個 AI 設計基因編輯器,成功編輯了人類細胞中的 DNA。這可太科幻了,如果有機會,你會選擇「改造」自己的 DNA 嗎?zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

AI,能夠重寫人類基因組了?zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

就在剛剛,初創公司 Profluent 宣布,完全由 AI 設計的基因編輯器,已經成功編輯了人類細胞中的 DNA。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

也就是說,世界上首個使用 AI 從頭設計的分子級精確基因編輯器誕生了。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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就像 ChatGPT 能生成詩歌一樣,Profluent 這個全新的 AI 系統,可以讓我們編輯自己 DNA 的微觀機制生成藍圖。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

在迄今最廣泛的基于 CRISPR 的基因編輯系統數據集上,研究者訓練了 LLM。這些 LLM 產生的蛋白質,將幾乎所有天然存在的 CRISPR-Cas 家族的多樣性,擴大了 4.8 倍!zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

并且,基因編輯器在人類細胞中顯示出了與 SpCas9(一個示例基因編輯器)相當或更好的活性和特異性,同時距離超過 400 個突變。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這也就意味著,我們掌握了自己的基因組密碼。未來的科學家,會比今天更精確、更快速地對抗疾病。而且,公司還決定,會在 OpenCRISPR 協議下,自由釋放這些 DNA 分子。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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▲OpenCRISPR-1 的物理結構,OpenCRISPR-1 即是由 Profluent 的 AI 技術創建的基因編輯器

Profluent 聯創 Ali Madani 表示,「嘗試用 AI 設計的生物系統,編輯人類 DNA 是一次科學登月之旅」。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

「我們的成功表明,在未來,AI 可精準設計出一系列定制的疾病治療方案」。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

有網友表示,「是時候重新編程人類了嗎?AI 驅動的 CRISPR 技術進步,正挑戰著基因倫理的邊界」。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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如果你可以改變自己的 DNA,你會這么做嗎?zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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貧血、失明疾病的基因,由我們自己修改

初創公司 Profluent 在剛剛發表的這篇論文中,詳細描述了這項技術。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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論文地址:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.22.590591v1.full.pdfzDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

論文預計將于下月,在美國基因與細胞治療學會年會上發表。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這項技術和驅動 ChatGPT 的方法是一樣的,它在分析大量生物數據后,創造了新的基因編輯器,包括科學家已經用于編輯人類 DNA 的微觀機制。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這些基因編輯器基于的是諾獎的獲獎方法,涉及一種名叫 CRISPR 的生物機制。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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基于 CRISPR 的技術誕生后,即在業界引起轟動。它改變了科學家研究疾病的方式。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

在以前,如果我們不幸得了鐮狀細胞性貧血和失明這樣的遺傳性疾病,往往束手無策,而現在,CRISPR 技術可以直接讓我們修改導致這些疾病的基因了!zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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CRISPR 方法使用的是我們在自然界中發現的機制:從細菌中收集的生物材料,竟然神奇地賦予了這些微生物抵抗細菌的能力。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

加州大學舊金山分校生物工程和治療科學系教授兼系主任 James Fraser 介紹說,這些生物材料從未在地球上存在過,而 Profluent 的 AI 系統,正是從大自然中學習如何創造這些全新的東西。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果這些技術繼續發展,所產生的基因編輯器,或許會比我們人類經過數十億年進化磨練的基因編輯器更靈活、更強大。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

現在,Profluent 表示正在開源 OpenCRISPR-1 編輯器,這也就意味著,個人、學術實驗室和公司都能免費使用這些技術。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

AI 界常見的開源,可以加速新技術的產生。不過,對于生物實驗室和制藥公司來說,像 OpenCRISPR-1 這樣的開源并不常見。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

當然,Profluent 也只是開源了其 AI 技術生成的基因編輯器,并沒有開源 AI 技術本身。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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▲由 OpenCRISPR-1 編輯的人類細胞延時攝影AI 編輯蛋白質,為何意義重大

目前,蛋白質工程界想要復制功能性蛋白質,或者用「定向進化」來迭代修飾,通常還是需要從自然界中復制。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

許多對人類有重大意義的蛋白質,都是我們偶然發現的,比如狗的胰島素、酸奶設施中的 Cas9 和經常造成食物中毒的肉毒桿菌毒素。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

大型生成蛋白質語言模型的作用,就是可以捕獲使天然蛋白質發揮作用的基本藍圖。它們勾勒出一條捷徑,可以繞過進化的隨機過程,推動人類有意識地為特定目的設計蛋白質。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

Cas9 蛋白,是 CRISPR-Cas9 基因編輯系統的核心組成部分,它是一種 RNA 引導的核酸酶,可以搜索人類基因組中的所有 30 億個核苷酸,并在一個特定位點進行切割。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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這種核酸酶與單導 RNA(sgRNA)復合在一起,sgRNA 由一個在結構上與蛋白質相互作用的支架和一個間隔序列組成,后者可通過編程靶向基因組中的任何位點。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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棘手的是,大多數 Cas9 蛋白的長度超過 1000 個氨基酸,整個設計空間包含 20^1000 種可能的序列,比起可觀測宇宙中的原子數量,它都要高出幾個數量級!zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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而且,由于這些蛋白質必須以精確的順序協調許多相互作用,才能實現精確切割,因此即使是單個錯位突變,也可能完全消除蛋白質的功能。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果通過實驗窮盡所有可能的序列變異,許多科學家幾輩子時間都做不完。然而,AI 系統卻能很輕松地探索整個搜索空間,發現功能性的基因編輯器。而且,只需要花幾個小時!zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

全球首個開源基因編輯器,改寫人類 DNA

基因編輯器 OpenCRISPR-1,由一個 Cas9 樣蛋白質,和引導 RNA(guide RNA)構成。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

正如之前所述,它是完全由 Profluent 的 AI 大模型開發的。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

在具體實現過程中,研究人員對 26TB 組裝的「基因組」和「元基因組」數據庫系統進行挖掘,整理出超 100 萬個 CRISPR 操縱子(operon)的數據集。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

通過訓練 OpenCRISPR,AI 從大規模序列和生物背景中學習,生成了自然界不存在的數百萬種 CRISPR 樣蛋白。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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研究人員稱,AI 生成了自然界中已發現的「CRISPR-Cas 家族」的 4.8 倍的蛋白質集群,完全實現了指數級擴展!zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

而且,語言模型還為類 Cas9 效應蛋白定制了單引導 RNA 序列。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

與原型基因編輯效應器 SpCas9 相比,幾個生成的基因編輯器顯示出,可比或改進的活性和特異性,同時在序列上相差 400 個突變。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

最后,研究人員還證明了 AI 生成的基因編輯 OpenCRISPR-1 與堿基編輯的兼容性。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這項研究中的關鍵結果,具體如下。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

AI 生成 4.8 倍「CRISPR-Cas」蛋白質宇宙

生成蛋白質語言模型通常是在,大型涵蓋多種系統發育和功能的天然蛋白序列的數據集上,進行預訓練 。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這些模型能夠生成,反映天然蛋白質分布和特性的真實蛋白質序列。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

然而,對于特定的應用,例如新型基因編輯器的生成,有必要將生成過程導向特定的感興趣的蛋白家族子集。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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對此,研究人員進行了詳盡的數據挖掘來構建數據庫。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

他們搜索了 26.2TB 的組裝微生物基因組和宏基因組,發現了 1,246,163 個 CRISPR-Cas 操縱子。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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與 CRISPRCasDB 和 CasPDB 等精選數據庫,以及世界上最大的蛋白質資源 UniProt 相比,最新創建的數據庫顯示出更大的多樣性。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

通過總結共性,研究人員發現了所有 CRISPR-Cas 蛋白的單一模型,能夠生成跨家族的不同序列。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

為了生成新型 CRISPR-Cas 蛋白,作者在 CRISPR-Cas Atlas 上微調了基于 ProGen2 的語言模型,由此平衡了蛋白家族的表示和序列簇大小。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

從這個模型中,研究者生成了 400 萬個序列。其中一半是直接從模型生成的,另一半是由天然蛋白質 N 或 C 末端的最多 50 個殘基提示,以引導向特定蛋白的生成。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

為了評估其新穎性和多樣性,作者使用 MMseqs2 對每個家族的生成序列和天然序列按 70% 的同一性進行了聚類。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

結果發現,與 CRISPR-Cas 圖譜中的天然蛋白相比,生成序列實現了 4.8 倍的多樣性擴展。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

對于天然蛋白質很少的家族,比如 Cas13 和 Cas12a,生成序列的多樣性分別增加了 8.4 倍和 6.2 倍。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

另外,只需要極少的上下文,即提供 50 個或更少的殘基,就能針對某一特定科引導序列生成與感興趣的科保持一致。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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100 萬個類 Cas9 蛋白全部生成

雖然許多 CRISPR-Cas 蛋白已被用于基因組編輯 ,但 Cas9 仍是應用最廣泛的一種。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

為了生成類 Cas9 的新序列,研究人員從 CRISPR-Cas 圖譜中采樣,Cas9 的 N 端或 C 端 50 個殘基,對 CRISPR-Cas 模型進行了提示。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這里,作者使用了 CRISPR-Cas Atlas 中 238917 條 Cas9 序列,對另一個語言模型進行了微調。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這一模型生成可行的類 Cas9 序列的速度是 CRISPR-Cas 模型的 2 倍(54.2%),而且需要任何提示。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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為了探索 II 型效應器的潛在序列分布,研究人員使用 Cas9 模型生成了 100 萬個 Cas9 蛋白。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

生成的可存活代(n=542,042)與同一性為 40% 的天然 Cas9 聚類在一起,并用作構建最大似然系統發育樹的輸入(圖 2a)。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

引人注目的是,生成的蛋白質主導了系統發育的格局,占系統發育總多樣性的 94.1%。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

與整個 CRISPR-Cas 圖譜相比,多樣性增加了 10.3 倍(圖 2b)。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

新的系統發生群分布在整個樹中,這表明該模型捕捉到了 Cas9 的全部多樣性,并沒有過度擬合任何特定系。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

生成的序列與 CRISPR-Cas 圖譜的差異很大,與任何自然序列的平均同一性只有 56.8%(圖 2c)。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

總體而言,生成的序列與同一蛋白質簇中天然蛋白質的長度密切匹配,皮爾遜相關性為 0.97(圖 2d)。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

此外,圖 2e 顯示了,天然 Cas9、祖先序列重建和 48 個生成蛋白的靶上和脫靶的編輯效率。圖 2f 展示了自然 Cas9、祖先序列重建,以及生成蛋白在靶向編輯效率和特異性方面的對比。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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生成的基因編輯器,在人類細胞中發揮作用zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

然后,研究者進一步將關注范圍縮小到 CRISPR-Cas9 系統,并在 CRISPR-Cas 圖譜中的 238,917 個 Cas9 蛋白上,訓練了蛋白質語言模型。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

使用這些模型,研究者生成了可與 SpCas9 互操作的 Cas9 樣蛋白。也就是說,它們與基因組的相同部分(PAM)結合,并與相同的 sgRNA 相容,因此,它們可用于相同的應用。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

研究者選擇了其中 48 個生成的序列,用于在人類細胞中進行嚴格的功能表征。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

最熱門的 OpenCRISPR-1,在靶向位點的活性與 SpCas9 相當(OpenCRISPR-1 的編輯率為 55.7%,SpCas9 的編輯率為 48.3%),但令人驚訝的是,在脫靶位點的編輯減少了 95%(OpenCRISPR-1 的編輯率為 0.32%,SpCas9 為 6.1%)。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

此外,作為一種非常新的蛋白質,OpenCRISPR-1 與 SpCas9 相距 403 個突變,與 CRISPR-Cas 圖譜中的任何天然蛋白質相距 182 個突變。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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▲多種生成的核酸酶(綠色),包括 OpenCRISPR-1(深綠色),具有與 SpCas9(藍色)相當或更高的靶向活性,但脫靶活性要低得多

研究者們還發現,當與脫氨酶配對時,OpenCRISPR-1 和 SpCas9 在精確編輯靶基因組中的單個堿基時,具有相似的活性和特異性。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

他們還能保持堿基編輯活性,同時通過用由另一種 Profluent 訓練的蛋白質語言模型生成的脫氨酶,來提高特異性。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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▲使用 ABE8.20(一種高活性工程脫氨酶)以及生成的脫氨酶 PF-DEAM-1 和 PF-DEAM-2 進行堿基編輯時,OpenCRISPR-1 的功能與 SpCas9 非常相似

最后,為了進一步優化所生成的核酸酶的活性,研究者還訓練了一個模型來為任何給定的 Cas9 樣蛋白生成相容的 sgRNA。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

與 SpCas9 的 sgRNA 相比,這些生成的 sgRNA 可以提高所測試的五種蛋白質中四種產生的核酸酶的活性。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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▲對于測試的 5 種生成的核酸酶中的 4 種,使用模型生成的 sgRNA 提高了編輯效率AI,正在改善醫療保健

現在,全世界都有很多項目,在用 AI 技術改善醫療保健。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

比如,華盛頓大學的科學家們正在用 ChatGPT 和 Midjourney 背后的方法來,創造全新的蛋白質,并且正在努力加速新疫苗和藥物的開發。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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如今大火的許多生成式 AI,背后都是由神經網絡驅動的。通過分析大量數據,神經網絡就習得了某些技能。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

比如,Midjourney 以神經網絡為基礎,分析了數百萬張數字圖像,以及描述每張圖像的標題。這樣,系統就學會了識別圖像和文字之間的聯系,可以畫出「犀牛從金門大橋上跳下來」這樣的畫。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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Profluent 的技術,也是由一個類似的 AI 模型驅動的。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

這個模型從氨基酸和核酸序列中學習,正是這些化合物,定義了科學家用來編輯基因的微觀生物學機制。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

本質而言,它就是分析了從自然界中提取的 CRISPR 基因編輯器的行為,學習了如何生成全新的基因編輯器。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

Profluent 的 CEO Ali Madani 介紹道,這些 AI 模型都是從序列中學習的,無論是字符、單詞、計算機代碼,還是氨基酸的序列。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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Madani 先生在加州伯克利 Profluent 實驗室內,此前他曾在軟件巨頭 Salesforce 的人工智能實驗室工作zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

人類編輯基因,還會有多遠

目前,Profluent 尚未對這些合成基因編輯器進行臨床試驗,因此尚不清楚它們是否能與 CRISPR 的性能相媲美,甚至超過 CRISPR。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

但他們的研究表明了,AI 模型可以產生能夠編輯人類基因組的東西。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

盡管如此,這項成果還不太可能在短期內影響醫療保健。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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UC 伯克利創新基因組學研究所的基因編輯先驅兼科學主任費 Fyodor Urnov 表示,科學家們并不缺乏天然存在的基因編輯器,用來對抗疾病。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

真正的瓶頸在于,這項編輯器在用于臨床治療之前,還會因安全性、制造、監管審查產生極高的成本。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

但是,隨著學習越來越多的數據,生成式 AI 系統的潛力不可小覷。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果 Profluent 的技術繼續改進,終有一天,科學家們可以用更精確的方式編輯基因。到那時,我們可能身處這樣一個世界 —— 許多藥物和治療方法,都能快速為個人量身定制。這是今天的人們所不敢想的。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

「我夢想著這樣一個世界,我們可以在幾周內按需提供 CRISPR,」 Urnov 博士說。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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還有一個重大的問題就是,CRIPSR 有風險嗎?zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

長期以來,科學家們一直在警告:不要使用 CRISPR 進行人類增強!因為,這是一項相對較新的技術,很可能會產生不良的副作用,比如引發癌癥。而且還有些人會用于非道德的用途,比如轉基因人類胚胎。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

合成基因編輯器,也面臨著這項問題。而如今,科學家們已經掌握了編輯胚胎所需的一切技術。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

但 Fraser 博士表示,如果真的有人想用它們做壞事,也只會使用現有的東西,而非 AI 創建的編輯器。zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

參考資料:zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

https://www.profluent.bio/blog/editing-the-human-genome-with-aizDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

https://www.nytimes.com/2024/04/22/technology/generative-ai-gene-editing-crispr.htmlzDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

本文來自微信公眾號:新智元 (ID:AI_era)zDv28資訊網——每日最新資訊28at.com

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