Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları; kuantum biyolojisi, yapay zeka ve biyomühendislik alanlarındaki uzmanlıklarını kullanarak CRISPR Cas9 genom düzenleme araçlarının yenilenebilir yakıtlar ve kimyasallar üretmek üzere modifiye edilebilen mikroplar gibi organizmalar üzerinde nasıl çalıştığını geliştirdiler.
CRISPR, bir organizmanın performansını artırmak veya mutasyonları düzeltmek amacıyla genetik kodu değiştirmek için kullanılan biyomühendislik için güçlü bir araçtır. CRISPR Cas9 aracı, Cas9 enzimini genomdaki ilgili hedeflenen bölgeye bağlanmaya ve parçalamaya yönlendiren tek ve benzersiz bir kılavuz RNA’ya dayanır.
CRISPR araçları için etkili kılavuz RNA’ları hesaplamalı olarak tahmin eden mevcut modeller, mikroplara uygulandığında zayıf, tutarsız verimlilikle yalnızca birkaç model türden elde edilen veriler üzerine inşa edilmiştir.
ORNL’deki Sentetik Biyoloji grubunun lideri Carrie Eckert “CRISPR araçlarının çoğu memeli hücreleri, meyve sinekleri veya diğer model türler için geliştirilmiştir. Çok azı kromozomal yapıların ve boyutların çok farklı olduğu mikroplara yöneliktir” dedi. “CRISPR Cas9 mekanizmasını oluşturan modellerin mikroplarla çalışırken farklı davrandığını gözlemlemiştik ve bu araştırma anekdot olarak bildiklerimizi doğruluyor.”
ORNL bilim insanları, kılavuz RNA’nın modellemesini ve tasarımını geliştirmek için genetik materyalin depolandığı hücre çekirdeklerinde en temel düzeyde neler olup bittiğini daha iyi anlamaya çalıştılar. Elektronik yapının DNA ve RNA’nın yapı taşlarını oluşturan moleküller olan nükleotidlerin kimyasal özellikleri ve etkileşimleri üzerindeki etkilerini araştıran moleküler biyoloji ve 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 enzimi-kılavuz RNA kompleksinin mikrobun DNA’sına etkili bir şekilde bağlanma olasılığı da dahil olmak üzere reaktiviteyi ve konformasyonel kararlılığı etkilediğini belirtti.
Seçimler Ormanında En İyi Rehber
Bilim insanları, yinelemeli rastgele orman adı verilen açıklanabilir bir yapay zeka modeli oluşturdular. Modeli, Nucleic Acids Research dergisinde açıklanan bir yaklaşımla, kuantum kimyasal özelliklerini de dikkate alarak, E. coli bakterisinin genomunu hedefleyen yaklaşık 50.000 kılavuz RNA’dan oluşan bir veri kümesi üzerinde eğittiler.
Model, nükleotidler hakkında daha iyi kılavuz RNA’ların seçilmesini sağlayabilecek temel özellikleri ortaya çıkardı. “Model, kılavuz RNA’larımızın verimliliğini destekleyen moleküler mekanizmalar hakkında ipuçlarını belirlememize yardımcı oldu” diyen Prates, “bize CRISPR teknolojisini geliştirmemize yardımcı olabilecek zengin bir moleküler bilgi kütüphanesi sağladı” dedi.
ORNL araştırmacıları, model tarafından seçilen geniş bir kılavuz grubu ile E. coli üzerinde CRISPR Cas9 kesme deneyleri yaparak açıklanabilir AI modelini doğruladı.
Makalenin ilk yazarı olan eski ORNL hesaplamalı Sistem Biyoloğu Jaclyn Noshay, açıklanabilir yapay zekanın kullanılmasının, bilim insanlarına, yorumlanabilirlikten yoksun bir “kara kutu” algoritmasına dayanan derin öğrenim modeli yerine, sonuçları yönlendiren biyolojik mekanizmalar hakkında bir anlayış sağladığını söyledi.
Noshay, “[Biyolojik] alemler arasında eğitilen modellerin uyumsuzluğu hakkında bilgi sahibi olarak, mikrobiyal bir türe odaklanarak optimum kesme verimliliği için kılavuz dizayn kurallarına ilişkin anlayışımızı geliştirmek istedik” dedi
Binlerce özelliği ve yinelemeli doğasıyla açıklanabilir yapay zeka modeli, ORNL’nin Oak Ridge Lider Bilgisayar Tesisi veya bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan OLCF’deki Summit süper bilgisayarı 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 hesaplama bilimi meslektaşlarıyla birlikte çalışmayı planladığını söyledi.
Her Türe Yönelik CRISPR Cas9 Araçları
Kuantum özelliklerinin dikkate alınması, her tür için Cas9 kılavuz iyileştirmelerine kapı açıyor. Eckert, “Bu makalenin insan ölçeğinde bile etkileri var” dedi. “Örneğin, genomun belirli bir bölgesini hedeflemek için CRISPR kullandığınız herhangi bir ilaç geliştirme sürecine bakıyorsanız, bu kılavuzları tahmin etmek için en doğru modele sahip olmanız gerekir.”
CRISPR Cas9 modellerinin geliştirilmesi, bilim insanlarına genotipi fenotipe veya genleri fiziksel özelliklere bağlamak için daha yüksek verimli bir hat sağlıyor ve bu alan fonksiyonel genomik olarak biliniyor. Araştırma, ORNL liderliğindeki Biyoenerji İnovasyon Merkezi’nin (CBI), örneğin biyoenerji hammaddesi bitkilerini ve biyokütlenin bakteriyel fermantasyonunu iyileştirme çalışmaları için çıkarımlara sahiptir.
Eckert, “Bu araştırmayla kılavuz RNA tahminlerimizi büyük ölçüde geliştiriyoruz” dedi. “Yürütülen biyolojik süreçleri ne kadar iyi anlarsak ve tahminlerimize ne kadar çok veri aktarabilirsek, hedeflerimiz o kadar iyi olacak ve araştırmamızın hassasiyetini ve hızını artıracaktır.”
ORNL’den Biyoanalitik Kimyager Paul Abraham “Araştırmamızın önemli bir hedefi, CRISPR araçlarını kullanarak daha fazla organizmanın DNA’sını öngörülü bir şekilde değiştirme yeteneğini geliştirmektir. Bu çalışma, bir organizmanın genetik kodunda maliyetli ‘yazım hataları’ yapmaktan nasıl kaçınabileceğimizi anlamaya yönelik heyecan verici bir ilerlemeyi temsil ediyor,” dedi.
“Ek öğrenim verileri oluşturdukça ve açıklanabilir yapay zeka modellemesinden yararlanmaya devam ettikçe bu tahminlerin daha ne kadar gelişebileceğini öğrenmek için sabırsızlanıyorum.” [1]“Scientists use quantum biology, AI to sharpen genome editing tool” yazısından çevrilmiştir.
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | “Scientists use quantum biology, AI to sharpen genome editing tool” yazısından çevrilmiştir. |
|---|
