Ученые используют квантовую биологию и ИИ для улучшения редактирования генома

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж применили свои знания в области квантовой биологии, искусственного интеллекта и биоинженерии, чтобы улучшить работу инструментов геномного редактирования CRISPR Cas9 на микроорганизмах. Такие организмы можно модифицировать для производства возобновляемого топлива и химикатов.

CRISPR — мощный инструмент биоинженерии, используемый для изменения генетического кода. Инструмент CRISPR Cas9 полагается на уникальную направляющую РНК (guide RNA), которая направляет фермент Cas9 к нужному участку в геноме для связывания и разрезания.

Существующие вычислительные модели для прогнозирования эффективных направляющих РНК были построены на данных всего нескольких модельных видов. При применении к микроорганизмам их эффективность была слабой и непоследовательной.

Для улучшения моделирования и дизайна направляющих РНК ученые обратились к квантовой биологии — области на стыке молекулярной биологии и квантовой химии. Она изучает влияние электронной структуры на химические свойства и взаимодействия нуклеотидов — молекул, из которых состоят ДНК и РНК. Распределение электронов в молекуле влияет на реакционную способность и конформационную стабильность, включая вероятность эффективного связывания комплекса фермент Cas9–направляющая РНК с ДНК микроба.

Лучший проводник через лес решений

Ученые создали объяснимую модель искусственного интеллекта под названием iterative random forest. Они обучили её на наборе данных из примерно 50 000 направляющих РНК, нацеленных на геном бактерии E. coli, одновременно учитывая квантово-химические свойства.

Модель выявила ключевые особенности нуклеотидов, которые могут позволить выбирать более эффективные направляющие РНК. Она помогла идентифицировать молекулярные механизмы, лежащие в основе эффективности направляющих РНК, предоставив богатую библиотеку молекулярной информации для улучшения технологии CRISPR.

Исследователи проверили модель, проведя эксперименты по разрезанию CRISPR Cas9 на E. coli с большой группой направляющих, отобранных моделью. Объяснимый ИИ дал понимание биологических механизмов, стоящих за результатами, в отличие от моделей глубокого обучения, работающих как «чёрный ящик».

Модель была обучена с использованием суперкомпьютера Summit.

Улучшение инструментов CRISPR Cas9 для каждого вида

Учет квантовых свойств открывает путь к улучшению направляющих РНК для Cas9 для любого вида, включая человека, например, в разработке лекарств, где требуется максимально точная модель для предсказания направляющих.

Уточнение моделей CRISPR Cas9 дает ученым более эффективный конвейер для связи генотипа с фенотипом (функциональная геномика). Это исследование важно, например, для работы Центра инноваций в области биоэнергетики (CBI) для улучшения растений-сырья и бактериальной ферментации биомассы.

Цель — улучшить способность предсказуемо модифицировать ДНК большего числа организмов с помощью CRISPR и избегать дорогостоящих «опечаток» в генетическом коде.