CRISPR heeft een probleem: het in verlegenheid brengen van rijkdom.

Sinds het genbewerkingssysteem beroemd werd, zijn wetenschappers op zoek naar varianten met betere precisie en nauwkeurigheid.

Eén zoekmethode screent op genen gerelateerd aan CRISPR-Cas9 in het DNA van bacteriën en andere wezens. Een ander ontwikkelt CRISPR-componenten kunstmatig in het laboratorium om ze betere therapeutische eigenschappen te geven, zoals grotere stabiliteit, veiligheid en efficiëntie in het menselijk lichaam.

Deze gegevens worden opgeslagen in databases die miljarden genetische sequenties bevatten. Hoewel er misschien exotische CRISPR-systemen in deze bibliotheken verborgen zijn, zijn er simpelweg te veel vermeldingen om te doorzoeken.

Deze maand haalde een team van MIT en Harvard onder leiding van CRISPR-pionier Dr. Feng Zhang inspiratie uit een bestaande big-data-aanpak en gebruikte AI om de zee van genetische sequenties te verkleinen tot een handvol die vergelijkbaar zijn met bekende CRISPR-systemen.

de AI doorzocht open-sourcedatabases met genomen van ongebruikelijke bacteriën, waaronder die gevonden in brouwerijen, kolenmijnen, koude Antarctische kusten en (geen grapje) hondenspeeksel.

In slechts een paar weken heeft het algoritme duizenden potentiële nieuwe biologische ‘onderdelen’ geïdentificeerd die 188 nieuwe op CRISPR gebaseerde systemen zouden kunnen vormen, waaronder enkele die buitengewoon zeldzaam zijn.

Verschillende nieuwe kandidaten vielen op. Sommigen zouden bijvoorbeeld nauwkeuriger kunnen focussen op het doelgen voor bewerking met minder bijwerkingen. Andere variaties zijn niet direct bruikbaar, maar kunnen inzicht verschaffen in hoe sommige bestaande CRISPR-systemen werken, bijvoorbeeld systemen die zich richten op RNA, het 'boodschapper'-molecuul dat cellen aanstuurt om eiwitten uit DNA te bouwen.

“Biodiversiteit is zo’n schatkamer,” zei Zhang. “Door deze analyse uit te voeren kunnen we twee vliegen in één klap slaan: we studeren allebei biologie en vinden mogelijk ook nuttige dingen”, zegt hij. toegevoegd.

Een wilde jacht

Hoewel CRISPR bekend staat om zijn genbewerkingsvermogen bij mensen, ontdekten wetenschappers het systeem voor het eerst in bacteriën waar het virale infecties bestrijdt.

Wetenschappers verzamelen al lang bacteriële monsters uit hoeken en gaten over de hele wereld. Dankzij de steeds betaalbaarder en efficiëntere DNA-sequencing is de genetische blauwdruk van veel van deze monsters – sommige uit onverwachte bronnen zoals vijverschuim – in kaart gebracht en in databases opgeslagen.

Zhang is geen onbekende in de jacht op nieuwe CRISPR-systemen. "Een aantal jaren geleden begonnen we ons af te vragen: 'Wat is er naast CRISPR, en zijn er andere RNA-programmeerbare systemen in de natuur?'" Zhang vertelde MIT News eerder dit jaar.

CRISPR bestaat uit twee structuren. Eén daarvan is een ‘bloedhond’-gids-RNA-sequentie, gewoonlijk ongeveer 20 basen lang, die zich op een bepaald gen richt. De andere is het schaarachtige Cas-eiwit. Eenmaal in een cel vindt de bloedhond het doelwit en knipt de schaar het gen. Recentere versies van het systeem, zoals basisbewerking of prima bewerking, gebruik verschillende soorten Cas-eiwitten om DNA-swaps van één letter uit te voeren of zelfs RNA-doelen te bewerken.

Back in 2021, traceerde het laboratorium van Zhang de oorsprong van de CRISPR-stamboom en identificeerde een geheel nieuwe familielijn. Deze systemen, genaamd OMEGA, maken gebruik van buitenlandse gids-RNA's en eiwitscharen, maar ze kunnen nog steeds gemakkelijk DNA knippen in menselijke cellen die in petrischalen zijn gekweekt.

Meer recent, het team hun zoektocht uitgebreid naar een nieuwe tak van het leven: eukaryoten. Leden van deze familie – inclusief planten, dieren en mensen – hebben hun DNA strak verpakt in een nootachtige structuur. Bacteriën hebben deze structuren daarentegen niet. Door schimmels, algen en mosselen te screenen (ja, de biodiversiteit is raar en geweldig), vond het team eiwitten die ze Fanzors noemen en die kunnen worden geherprogrammeerd om menselijk DNA te bewerken – een eerste bewijs dat een CRISPR-achtig mechanisme ook bestaat in eukaryoten.

Maar het doel is niet alleen maar om glimmende, nieuwe gen-editors op te sporen. In plaats daarvan moeten we gebruik maken van het vermogen van de natuur om genen te bewerken om een ​​verzameling geneditors op te bouwen, elk met zijn eigen sterke punten, die genetische aandoeningen kunnen behandelen en ons kunnen helpen de innerlijke werking van ons lichaam te begrijpen.

Gezamenlijk hebben wetenschappers zes belangrijke CRISPR-systemen ontdekt: sommige werken bijvoorbeeld samen met verschillende Cas-enzymen, terwijl andere gespecialiseerd zijn in DNA of RNA.

“De natuur is geweldig. Er is zoveel diversiteit”, Zhang zei. "Er zijn waarschijnlijk meer RNA-programmeerbare systemen, en we blijven verkennen en zullen hopelijk meer ontdekken."

Bio-ingenieurscrabble

Dat is waarvoor het team de nieuwe AI, FLSHclust genaamd, heeft gebouwd. Ze transformeerden technologie die verbijsterend grote datasets analyseert – zoals software die overeenkomsten in grote hoeveelheden document-, audio- of afbeeldingsbestanden benadrukt – in een hulpmiddel om op genen te jagen die verband houden met CRISPR.

Eenmaal voltooid analyseerde het algoritme gensequenties van bacteriën en verzamelde ze in groepen – een beetje zoals het clusteren van kleuren in een regenboog, waarbij vergelijkbare kleuren worden gegroepeerd, zodat het gemakkelijker is om de schaduw te vinden die je zoekt. Vanaf hier heeft het team zich verdiept in genen die verband houden met CRISPR.

Het algoritme doorzocht meerdere open-sourcedatabases, waaronder honderdduizenden genomen van bacteriën en archaea en miljoenen mysterieuze DNA-sequenties. In totaal heeft het miljarden genen die voor eiwitten coderen gescand en gegroepeerd in ongeveer 500 miljoen clusters. Hierin identificeerde het team 188 genen die nog niemand met CRISPR heeft geassocieerd en die duizenden nieuwe CRISPR-systemen zouden kunnen vormen.

Twee systemen, ontwikkeld vanuit microben in het lef van dieren en de zwarte Zee, gebruikte een gids-RNA van 32 basen in plaats van de gebruikelijke 20 die in CRISPR-Cas9 worden gebruikt. Net als bij een zoekopdracht: hoe langer deze is, hoe nauwkeuriger de resultaten. Deze langere RNA-‘query’s’ suggereren dat de systemen minder bijwerkingen zouden kunnen hebben. Een ander systeem wordt net als een eerder CRISPR-gebaseerd diagnostisch systeem genoemd Sherlock, dat snel een enkel DNA- of RNA-molecuul van een infectieuze indringer kan detecteren.

Wanneer ze werden getest in gekweekte menselijke cellen, konden beide systemen een enkele streng van het beoogde gen afknippen en kleine genetische sequenties invoegen met een efficiëntie van ongeveer 13 procent. Het klinkt niet veel, maar het is een basis die verbeterd kan worden.

Het team heeft ook genen ontdekt voor een nieuw CRISPR-systeem dat zich richt op RNA dat voorheen onbekend was bij de wetenschap. Het lijkt erop dat deze versie, en alle nog te ontdekken versies, pas na nauwkeurig onderzoek worden gevonden, niet gemakkelijk kunnen worden gevangen door bacteriën over de hele wereld te bemonsteren en dus uiterst zeldzaam van aard zijn.

“Sommige van deze microbiële systemen werden uitsluitend aangetroffen in water uit kolenmijnen,” zei studieauteur Dr. Soumya Kannan. “Als iemand daar niet in geïnteresseerd was geweest, hadden we die systemen misschien nooit gezien.”

Het is nog te vroeg om te weten of deze systemen kunnen worden gebruikt bij het bewerken van menselijke genen. Degenen die bijvoorbeeld willekeurig DNA afhakken, zouden nutteloos zijn voor therapeutische doeleinden. De AI kan echter een enorm universum aan genetische gegevens ontginnen om potentiële ‘eenhoorn’-gensequenties te vinden en is nu beschikbaar voor andere wetenschappers voor verder onderzoek.

Krediet van het beeld: NIH

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/11/27/an-ai-tool-just-revealed-almost-200-new-systems-for-crispr-gene-editing/