قاد الباحثون علي مدني، عالم التعلم الآلي والرئيس التنفيذي لشركة التكنولوجيا الحيوية Profluent، وآلان وونغ، عالم الأحياء الاصطناعية في جامعة هونغ كونغ، رواد استخدام الذكاء الاصطناعي في تصميم جينات كريسبر وتحرير البروتينات. حيث أظهرت دراسة جديدة القدرة على تصميم بروتينات كريسبر لتحرير الجينات باستخدام أداة ذكاء اصطناعي توليدية تسمى نموذج لغة البروتين. تم تدريب تلك الأداة على ملايين تسلسلات البروتين. ونُشر البحث في نسخة أولية بتاريخ 22 أبريل 2023، وأعلن فريق آخر عن نتائج مماثلة في فبراير 2023. تم إجراء الدراسة في Profluent في بيركلي، كاليفورنيا، وجامعة هونغ كونغ.
يستخدم هذا النهج المبتكر الذكاء الاصطناعي لتصميم بروتينات كريسبر، والتي يمكن أن تحدث ثورة في مجال تحرير الجينات. فباستخدام أنظمة كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي، قد يتمكن الباحثون من التغلب على القيود المفروضة على أنظمة تحرير الجينات التي تحدث تلقائيًا، مما يزيد من إمكانيات التطبيقات الطبية.
البحث عن أنظمة كريسبر لتحرير الجينات
تخيل أنك تبحث في كنز ضخم من الميكروبات عن الجواهر المخفية التي يمكن أن تكشف أسرار تحرير الجينات. لسنوات، كان العلماء في سعيهم لاكتشاف أنظمة كريسبر-كاس الجديدة، حيث قاموا بمسح أعماق الينابيع الساخنة، ومستنقعات الخث، والزبادي، وحتى البراز البشري للعثور على هذه العجائب الميكروبية. ولكن ما الذي يدفع هذا السعي الدؤوب، وكيف تمكن الباحثون من كشف هذه الأنظمة الغامضة؟
أنظمة كريسبر-كاس هي نوع من أجهزة المناعة الموجودة في البكتيريا والعتائق، والتي تحمي نفسها من غزو الفيروسات من خلال التعرف على مادتها الوراثية وقطعها. تتكون هذه الأنظمة من مكونين رئيسيين: جزيء RNA صغير يوجه الإنزيم إلى هدفه، والإنزيم نفسه الذي ينفذ عملية القطع. أحدث اكتشاف أنظمة كريسبر-كاس ثورة في مجال تحرير الجينات، مما سمح للعلماء بإجراء تعديلات دقيقة على تسلسل الحمض النووي.
كان البحث عن أنظمة كريسبر-كاس الجديدة عملية شاقة وتتطلب الكثير من الباحثين لفحص الآلاف من الجينومات الميكروبية. وقد طور الباحثون استراتيجيات مختلفة للكشف عن هذه الأنظمة، بما في ذلك استخدام الأدوات الحسابية لتحليل تسلسل الجينوم وتحديد جينات كريسبر-كاس المحتملة. ومع ذلك، أعيق اكتشاف أنظمة جديدة بسبب تعقيد الجينومات الميكروبية، والتي يمكن أن تؤوي أنظمة كريسبر-كاس المتعددة،.
على الرغم من هذه التحديات، تمكن الباحثون من الكشف عن عدد كبير من أنظمة كريسبر-كاس، ولكل منها خصائصه الفريدة وقدراته التحريرية. وقد فتح اكتشاف هذه الأنظمة آفاقا جديدة لتحرير الجينات، مما مكن العلماء من إجراء تعديلات دقيقة على تسلسل الحمض النووي بكفاءة ودقة غير مسبوقة. بينما نتعمق أكثر في عالم أنظمة CRISPR-Cas، نبدأ في كشف الآليات المعقدة التي تحكم هذه العجائب الميكروبية، والإمكانيات التي تقدمها لمستقبل تحرير الجينات.
العلم وراء CRISPR
يعد اكتشاف تحرير الجينات CRISPR-Cas9 عملية مثالية لكيفية محاكاة العلماء للطبيعة لإنشاء أدوات قوية. تم التعرف على هذا النظام لأول مرة في البكتيريا، حيث يعمل كجهاز مناعي للحماية من الاصابات الفيروسية. تستخدم البكتيريا هذا النظام للتعرف على الحمض النووي الفيروسي والقضاء عليه عن طريق تقطيعه، وبالتالي منع الفيروس من التكاثر.
يتكون نظام كريسبر-كاس9 من مكونين رئيسيين: جزيء صغير من الحمض النووي الريبوزي، المعروف باسم دليل الحمض النووي الريبي (RNA)، والذي يتعرف على تسلسلات معينة من الحمض النووي، وإنزيم قطع الحمض النووي يسمى Cas9. تتم برمجة الحمض النووي الريبي الموجه للبكتيريا لاستهداف تسلسلات معينة من الحمض النووي الفيروسي. ويتبع إنزيم Cas9 الحمض النووي الريبي الموجه إلى التسلسل المستهدف، مما يؤدي إلى قطع الحمض النووي في ذلك الموقع.
دقة ومرونة CRISPR-Cas9 تدعو للانبهار حقًا. وببساطة عن طريق تغيير الحمض النووي الريبوزي الموجه لل Cas9، يمكن إعادة برمجة النظام لاستهداف تسلسلات مختلفة من الحمض النووي. كأنك تعطي تعليمات مختلفة لاستهداف موقع آخر على الجين، مما يجعله أداة قوية لتحرير الجينات. لقد مهد ظهور تقنية كريسبر-كاس9 الطريق أمام إمكانيات علاج الأمراض الوراثية، وتحسين غلات المحاصيل، وحتى إحياء الأنواع المنقرضة.
تاريخ اكتشاف CRISPR
ولكن كيف عثر العلماء على هذا النظام الرائع؟ يعد اكتشاف كريسبر-كاس9 مثالًا رئيسيًا على الطريقة العلمية في العمل. في الثمانينيات، اكتشف العالم الياباني يوشيزومي إيشينو وفريقه تسلسلات الحمض النووي المتكررة غير العادية في بكتيريا الإشريكية القولونية. وكشفت أبحاث أخرى أن هذه التسلسلات، المعروفة باسم كريسبر اختصارًا لـ (التكرارات القصيرة المتناوبة المنتظمة والمتباعدة)، كانت جزءًا من آلية دفاع ضد الإصابات الفيروسية.
على مر السنين، واصل العلماء كشف أسرار تقنية كريسبر، وكشفوا عن دورها في حماية البكتيريا من الفيروسات. في عام 2012، أظهرت دراسة مبهرة نشرتها جنيفر دودنا وإيمانويل شاربنتييه أنه يمكن إعادة استخدام كريسبر-كاس9 في التحرير الدقيق للجينوم.
كان المجتمع العلمي مليئًا بالإثارة، مدركًا الإمكانات الهائلة لكريسبر-كاس9. ومنذ ذلك الحين، عمل الباحثون بلا كلل لتحسين النظام، واستكشاف تطبيقات جديدة، ودفع حدود ما هو ممكن. وقد أدى تكامل الذكاء الاصطناعي إلى نقل هذا المسعى إلى المستوى التالي، مما أتاح تصميم أنظمة كريسبر الجديدة بسرعة ودقة غير مسبوقتين.
الذكاء الاصطناعي يتولى زمام المبادرة
تُحدث الشراكة بين الذكاء الاصطناعي (AI) وتحرير الجينات ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع الطب الدقيق. في المشهد الدائم التطور لأنظمة كريسبر-كاس9، يستعد محررو الجينات المصممون بالذكاء الاصطناعي لتولي زمام الأمور. ومن خلال الاستفادة من قوة التعلم الآلي، يستطيع الباحثون الآن تصميم وتطوير أنظمة كريسبر جديدة بدقة وسرعة غير مسبوقتين.
وفي قلب هذه الثورة يكمن مفهوم نماذج اللغة البروتينية. يتم تدريب هذه الشبكات العصبية على كميات كبيرة من البيانات البيولوجية، مما يسمح لها بالتعرف على الأنماط والعلاقات داخل تسلسلات البروتين. ومن خلال الاستفادة من هذه المعرفة، يمكن لنماذج الذكاء الاصطناعي إنشاء أنظمة كريسبر جديدة، بما في ذلك البروتينات والحمض النووي الريبوزي الموجه، بدقة غير مسبوقة.
يعد نموذج ProGen، الذي طوره فريق الباحث مدني، مثالًا رئيسيًا على تطبيق هذه التكنولوجيا. ومن خلال إعادة تدريب النموذج على الملايين من أنظمة كريسبر المتنوعة، تمكن الفريق من توليد الملايين من تسلسلات بروتين كريسبر الجديدة، التي تنتمي إلى العشرات من عائلات البروتينات المختلفة الموجودة في الطبيعة. يمثل هذا الإنجاز علامة بارزة في استكشاف أنظمة تحرير الجينات كريسبر.
هل يمكن لأنظمة مصممة بالذكاء الاصطناعي منافسة الطبيعي؟
ولكن كيف يمكن لأنظمة كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي أن تتنافس مع نظيراتها الطبيعية؟ للإجابة على هذا السؤال، قام فريق مدني بتركيب تسلسلات الحمض النووي لأكثر من 200 تصميم بروتيني وإدخالها في الخلايا البشرية. وكانت النتائج مذهلة، حيث تمكن العديد من محرري الجينات من قطع أهدافهم المستهدفة في الجينوم بدقة، مما يدل على فعالية أنظمة كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي.
إن الآثار المترتبة على هذه التكنولوجيا بعيدة المدى. ومع القدرة على تصميم أنظمة كريسبر جديدة على نطاق غير مسبوق، يستطيع الباحثون الآن استهداف طفرات جينية محددة وتطوير أدوات مخصصة لتحرير الجينات ومصممة خصيصًا لتلبية الاحتياجات الفردية. يتمتع هذا الطب الدقيق 2.0 بالقدرة على تحويل مشهد العلاج الجيني، مما يمكّن الأطباء من علاج الاضطرابات الوراثية بدقة غير مسبوقة.
وبينما نتعمق في عالم أنظمة كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي، يصبح هناك شيء واضح – نحن نشهد إعادة كتابة مستقبل تحرير الجينات أمام أعيننا. مع تولي التعلم الآلي عجلة القيادة، أصبحت الاحتمالات لا حصر لها، واحتمالات الاكتشافات الرائدة لا حدود لها.
اختبار محررات الجينات المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي
أظهر بروتين Cas9 الواعد في الفريق، والذي أُطلق عليه اسم OpenCRISPR-1، كفاءة ملحوظة، ينافس كفاءة إنزيم CRISPR-Cas9 البكتيري المستخدم على نطاق واسع. ومن الجدير بالذكر أن OpenCRISPR-1 أجرى عددًا أقل من القطوع غير المرغوب فيها في أماكن خاطئة، مما يؤكد دقته وإمكاناته في التطبيقات الطبية.
علاوة على ذلك، نجح الباحثون في استخدام تصميم OpenCRISPR-1 لإنشاء محرر أساسي، وهو أداة دقيقة لتحرير الجينات تعمل على تغيير “حروف” الحمض النووي الفردية. أي أنه قادر على استهداف نيوكليوتيدة بعينها بدلًا من استهداف مجموعة. الأمر يشبه استهداف طوبة واحدة صغيرة من أحجار برج خليفة بصاروخ من الصين مثلًا، ولا يدمر غيرها في المبنى كله. أظهر هذا المحرر الأساسي كفاءة مماثلة لأنظمة التحرير الأساسية الأخرى، في حين أنه أيضًا أقل عرضة للأخطاء.
كما أظهر نموذج EVO، الذي طوره فريق هاي وهسو، نتائج واعدة، على الرغم من أنه لم يتم اختبارها بعد في المختبر. تشبه الهياكل المتوقعة لبعض أنظمة CRISPR-Cas9 التي صممتها شركة EVO تلك الخاصة بالبروتينات الطبيعية، مما يشير إلى فعاليتها المحتملة.
تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن ترجمة أنظمة كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي بنجاح من العالم الرقمي إلى المختبر، مما يمهد الطريق لعصر جديد من الطب الدقيق. ومع استمرار الباحثين في تحسين وتطوير محررات الجينات المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي، أصبحت إمكانيات علاج الأمراض الوراثية وتحسين صحة الإنسان واعدة بشكل متزايد.
الطب الدقيق 2.0 ومستقبل تحرير الجينات
فتحت الإنجازات الأخيرة في أنظمة تحرير الجينات كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي الباب أمام عصر جديد من الطب الدقيق. ومع القدرة على تصميم محررات جينات مصممة خصيصًا لتطبيقات طبية محددة، يمكن للباحثين والأطباء الآن تصور مستقبل لا يكون فيه تحرير الجينات أكثر دقة فحسب، بل أيضًا أكثر سهولة في الوصول إليه.
في المستقبل القريب، يمكن لتقنيات كريسبر التي يولدها الذكاء الاصطناعي أن تُحدث ثورة في علاج الاضطرابات الوراثية. تخيل أنك قادر على تصحيح الطفرات الجينية المسؤولة عن الأمراض الوراثية، مثل فقر الدم المنجلي أو التليف الكيسي، بدقة وكفاءة غير مسبوقة. إن الآثار المترتبة على ذلك عميقة، فمن المحتمل أن يتلقى المرضى علاجات جينية شخصية مصممة خصيصًا لتناسب بياناتهم الجينية المحددة. مما يوفر أملًا جديدًا للملايين المرضى في جميع أنحاء العالم.
علاوة على ذلك، يمكن لمحرري الجينات المصممين بواسطة الذكاء الاصطناعي أن يغيروا مجال العلاج الجيني. فمن خلال تصميم محررات الجينات التي يمكنها استهداف جينات معينة أو متغيرات جينية معينة، يستطيع الباحثون تطوير علاجات أكثر استهدافًا للأمراض المعقدة مثل السرطان، واضطرابات المناعة الذاتية، والحالات العصبية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى علاجات أكثر فعالية مع آثار جانبية أقل، فضلا عن تقليل خطر الآثار غير المستهدفة.
ويعد جزيء OpenCRISPR-1، الذي صممه فريق مدني، مثالًا رئيسيًا على إمكانات كريسبر المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي في الطب الدقيق. وباعتباره محررًا للجينات متاحًا مجانًا، فيمكنه إضفاء الطابع الديمقراطي مفتوح المصدر على الوصول إلى تقنيات تحرير الجينات. مما يجعلها في متناول الباحثين والأطباء في جميع أنحاء العالم.
المصدر: ‘ChatGPT for CRISPR’ creates new gene-editing tools (nature.com)
