11 Kasım 2023 (Nanowerk Haberleri) Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim adamları uzmanlıklarını kuantum biyolojisinde kullandılar, yapay zeka ve CRISPR Cas9 genom düzenleme araçlarının, yenilenebilir yakıtlar ve kimyasallar üretmek üzere değiştirilebilen mikroplar gibi organizmalar üzerinde nasıl çalıştığını geliştirmeye yönelik biyomühendislik.

Önemli Noktalar

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı bilim insanları, yenilenebilir yakıt ve kimyasal üretimi için hayati önem taşıyan mikroplarda CRISPR Cas9 genom düzenlemesini geliştirdi.

Ekip, CRISPR'ın hassasiyetinin anahtarı olan kılavuz RNA'ların seçimini geliştirmek için kuantum biyolojisini ve açıklanabilir yapay zekayı kullandı.

Yaklaşımları, model türlere kıyasla mikroplar üzerinde daha az etkili olan mevcut CRISPR modellerinin sınırlamalarının üstesinden geliyor.

Yeni yöntem, genetik modifikasyonlarda daha iyi anlayış ve verimlilik sunarak biyoenerji ve ilaç geliştirme gibi alanları etkiliyor.

Bu araştırma, çeşitli organizmalardaki DNA'yı hassas bir şekilde değiştirme yeteneğini geliştirerek fonksiyonel genomiği ve biyomühendisliği geliştiriyor.

Araştırma

CRISPR, bir organizmanın performansını artırmak veya mutasyonları düzeltmek için genetik kodu değiştirmek için kullanılan, biyomühendislik için güçlü bir araçtır. CRISPR Cas9 aracı, Cas9 enzimini genomdaki karşılık gelen hedef bölgeye bağlanmaya ve parçalamaya yönlendiren tek, benzersiz bir kılavuz RNA'ya dayanır. CRISPR araçları için etkili kılavuz RNA'ları hesaplamalı olarak tahmin etmeye yönelik mevcut modeller, mikroplara uygulandığında zayıf ve tutarsız bir verimliliğe sahip, yalnızca birkaç model türünden elde edilen veriler üzerine inşa edildi. "CRISPR araçlarının birçoğu memeli hücreleri, meyve sinekleri veya diğer model türler için geliştirildi. ORNL'deki Sentetik Biyoloji grubunun lideri Carrie Eckert, "Çok az sayıda kromozomal yapı ve boyutların çok farklı olduğu mikroplara yöneliktir" dedi. "CRISPR Cas9 makinesini tasarlamaya yönelik modellerin mikroplarla çalışırken farklı davrandığını gözlemledik ve bu araştırma, anekdot olarak bildiklerimizi doğruluyor." ORNL bilim insanları, kılavuz RNA'nın modellemesini ve tasarımını geliştirmek için, genetik materyalin depolandığı hücre çekirdeğinde en temel düzeyde neler olup bittiğini daha iyi anlamaya çalıştı. Elektronik yapının, DNA ve RNA'nın yapı taşlarını oluşturan nükleotidlerin kimyasal özellikleri ve etkileşimleri üzerindeki etkilerini araştıran, moleküler biyoloji ile kuantum kimyası arasında köprü kuran bir alan olan kuantum biyolojisine yöneldiler. ORNL'de hesaplamalı sistem biyoloğu olan Erica Prates, elektronların molekül içinde dağılma şeklinin, Cas9 enzim kılavuzu RNA kompleksinin mikropun DNA'sına etkili bir şekilde bağlanma olasılığı da dahil olmak üzere reaktiviteyi ve konformasyonel stabiliteyi etkilediğini söyledi.

Kararlar ormanında en iyi rehber

Bilim insanları yinelemeli rastgele orman adı verilen açıklanabilir bir yapay zeka modeli oluşturdular. Modeli, genomu hedef alan yaklaşık 50,000 kılavuz RNA'dan oluşan bir veri seti üzerinde eğittiler. E. coli Dergide açıklanan bir yaklaşımla bakterilerin kuantum kimyasal özellikleri de dikkate alınır. Nükleik Asit Araştırmaları (“Açıklanabilir yapay zeka odaklı özellik mühendisliğinden CRISPR-Cas9 sgRNA verimliliğine ilişkin kuantum biyolojik bilgiler”). Model, daha iyi kılavuz RNA'ların seçimini mümkün kılabilecek nükleotidlerle ilgili temel özellikleri ortaya çıkardı. Prates, "Model, kılavuz RNA'larımızın verimliliğini destekleyen moleküler mekanizmalar hakkındaki ipuçlarını belirlememize yardımcı oldu" dedi ve "bize CRISPR teknolojisini geliştirmemize yardımcı olabilecek zengin bir moleküler bilgi kütüphanesi sağladı." ORNL araştırmacıları, CRISPR Cas9 kesme deneyleri gerçekleştirerek açıklanabilir yapay zeka modelini doğruladı. E. coli model tarafından seçilen geniş bir kılavuz grubuyla. Makalenin ilk yazarı ve eski bir ORNL hesaplamalı sistem biyoloğu olan Jaclyn Noshay, açıklanabilir yapay zekanın kullanılmasının, bilim insanlarına, yorumlanabilirliği olmayan bir "kara kutu" algoritmasına dayanan derin öğrenme modeli yerine, sonuçları yönlendiren biyolojik mekanizmalar hakkında bir anlayış sağladığını söyledi. . Noshay, "[Biyolojik] krallıklar arasında eğitilen modellerin uyumsuzluğuna ilişkin bilgi göz önüne alındığında, mikrobiyal türlere odaklanarak optimum kesme verimliliği için kılavuz tasarım kuralları anlayışımızı geliştirmek istedik" dedi. Binlerce özelliği ve yinelemeli yapısıyla açıklanabilir yapay zeka modeli, ORNL'nin Oak Ridge Liderlik Bilgisayar Tesisi'ndeki Summit süper bilgisayarı veya bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan OLCF kullanılarak eğitildi. Eckert, sentetik biyoloji ekibinin, yeni mikrobiyal CRISPR Cas9 modeliyle öğrendiklerini almak ve laboratuvar deneylerinden veya çeşitli mikrobiyal türlerden elde edilen verileri kullanarak daha da geliştirmek için ORNL'deki hesaplamalı bilim meslektaşlarıyla birlikte çalışmayı planladığını söyledi.

Her tür için daha iyi CRISPR Cas9 araçları

Kuantum özelliklerinin dikkate alınması, her tür için Cas9 rehber iyileştirmelerinin kapısını açar. Eckert, "Bu makalenin insan ölçeğinde bile sonuçları var" dedi. "Örneğin, genomun belirli bir bölgesini hedeflemek için CRISPR kullandığınız herhangi bir tür ilaç geliştirmeye bakıyorsanız, bu kılavuzları tahmin etmek için en doğru modele sahip olmalısınız." CRISPR Cas9 modellerinin iyileştirilmesi, bilim adamlarına genotipi fenotipe veya genleri fiziksel özelliklere bağlamak için fonksiyonel genomik olarak bilinen daha yüksek verimli bir boru hattı sağlar. Araştırmanın, ORNL liderliğindeki Biyoenerji İnovasyon Merkezi'nin (CBI) örneğin biyoenerji hammadde tesislerinin ve biyokütlenin bakteriyel fermantasyonunu iyileştirmeye yönelik çalışmaları üzerinde etkileri var. Eckert, "Bu araştırmayla kılavuz RNA tahminlerimizi büyük ölçüde geliştiriyoruz" dedi. "Oyundaki biyolojik süreçleri ne kadar iyi anlarsak ve tahminlerimize ne kadar fazla veri katabilirsek, hedeflerimiz o kadar iyi olacak ve araştırmamızın hassasiyeti ve hızı artacaktır." "Araştırmamızın ana hedeflerinden biri, CRISPR araçlarını kullanarak daha fazla organizmanın DNA'sını tahmine dayalı olarak değiştirme yeteneğini geliştirmektir. DOE Genomik Bilim Programının Güvenli Ekosistem Mühendisliği ve Tasarım Bilimi Odak Alanına liderlik eden biyoanalitik kimyager olan ORNL'den Paul Abraham, "Bu çalışma, bir organizmanın genetik kodunda maliyetli 'yazım hataları' yapmaktan nasıl kaçınabileceğimizi anlama yolunda heyecan verici bir ilerlemeyi temsil ediyor" dedi. veya CRISPR araştırmasını destekleyen SEED SFA. "Ek eğitim verileri oluşturdukça ve açıklanabilir yapay zeka modellemesinden yararlanmaya devam ettikçe bu tahminlerin ne kadar gelişebileceğini öğrenmek için sabırsızlanıyorum."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=64037.php