Controllo dell’espressione genica con un design generativo profondo del DNA regolatorio
Con l’aiuto di un’intelligenza artificiale, i ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, sono riusciti a progettare il DNA sintetico che controlla la produzione di proteine delle cellule. La tecnologia può contribuire allo sviluppo e alla produzione di vaccini, farmaci per malattie gravi e proteine alimentari alternative molto più velocemente ea costi notevolmente inferiori rispetto a oggi.
Il modo in cui i nostri geni sono espressi è un processo fondamentale per la funzionalità delle cellule in tutti gli organismi viventi. In poche parole, il codice genetico nel DNA viene trascritto nella molecola RNA messaggero (mRNA), che indica alla fabbrica della cellula quale proteina produrre e in quale quantità.
I ricercatori si sono impegnati molto per cercare di controllare l’espressione genica perché può, tra le altre cose, contribuire allo sviluppo di farmaci a base di proteine. Un esempio recente è il vaccino a mRNA contro il Covid-19, che ha istruito le cellule del corpo a produrre la stessa proteina che si trova sulla superficie del coronavirus. Il sistema immunitario del corpo potrebbe quindi imparare a formare anticorpi contro il virus. Allo stesso modo, è possibile insegnare al sistema immunitario del corpo a sconfiggere le cellule tumorali o altre malattie complesse se si comprende il codice genetico dietro la produzione di proteine specifiche.
La maggior parte dei nuovi farmaci odierni sono a base di proteine, ma le tecniche per produrli sono costose e lente, perché è difficile controllare come viene espresso il DNA. L’anno scorso, un gruppo di ricerca di Chalmers, guidato da Aleksej Zelezniak, professore associato di biologia dei sistemi, ha compiuto un passo importante nella comprensione e nel controllo della quantità di una proteina prodotta da una determinata sequenza di DNA.
“Prima si trattava di essere in grado di ‘leggere’ completamente le istruzioni della molecola di DNA. Ora siamo riusciti a progettare il nostro DNA che contiene le istruzioni esatte per controllare la quantità di una specifica proteina”, afferma Aleksej Zelezniak a proposito dell’ultimo importante lavoro del gruppo di ricerca svolta.
Molecole di DNA su ordinazione
Il principio alla base del nuovo metodo è simile a quando un’intelligenza artificiale genera volti che sembrano persone reali. Imparando l’aspetto di un’ampia selezione di volti, l’intelligenza artificiale può quindi creare volti completamente nuovi ma dall’aspetto naturale. È quindi facile modificare un viso dicendo, ad esempio, che dovrebbe sembrare più vecchio o avere un’acconciatura diversa. D’altra parte, programmare da zero un volto credibile, senza l’uso dell’intelligenza artificiale, sarebbe stato molto più difficile e dispendioso in termini di tempo. Allo stesso modo, all’intelligenza artificiale dei ricercatori è stata insegnata la struttura e il codice normativo del DNA. L’intelligenza artificiale quindi progetta il DNA sintetico, dove è facile modificare le sue informazioni normative nella direzione desiderata dell’espressione genica. In poche parole, all’intelligenza artificiale viene comunicato quanto di un gene è desiderato e quindi “stampa” la sequenza di DNA appropriata.
“Il DNA è una molecola incredibilmente lunga e complessa. È quindi sperimentalmente estremamente impegnativo apportare modifiche ad esso leggendolo e modificandolo in modo iterativo, quindi leggendolo e modificandolo di nuovo. In questo modo ci vogliono anni di ricerca per trovare qualcosa che funzioni. Invece, è molto più efficace lasciare che un’intelligenza artificiale impari i principi della navigazione nel DNA. Ciò che altrimenti richiederebbe anni è ora ridotto a settimane o giorni”, afferma il primo autore Jan Zrimec, ricercatore associato presso l’Istituto nazionale di biologia in Slovenia e postdoc nel gruppo di Aleksej Zelezniak.
I ricercatori hanno sviluppato il loro metodo nel lievito Sacc haromyces cerevisiae , le cui cellule assomigliano a quelle dei mammiferi. Il prossimo passo è usare cellule umane. I ricercatori sperano che i loro progressi avranno un impatto sullo sviluppo di farmaci nuovi e già esistenti.
“I farmaci a base di proteine per malattie complesse o proteine alimentari sostenibili alternative possono richiedere molti anni e possono essere estremamente costosi da sviluppare. Alcuni sono così costosi che è impossibile ottenere un ritorno sull’investimento, rendendoli economicamente non sostenibili. Con la nostra tecnologia, è è possibile sviluppare e produrre proteine in modo molto più efficiente in modo che possano essere commercializzate”, afferma Aleksej Zelezniak.
Gli autori dello studio sono Jan Zrimec , Xiaozhi Fu , Azam Sheikh Muhammad , Christos Skrekas , Vykintas Jauniskis , Nora K. Speicher , Christoph S. Börlin , Vilhelm Verendel , Morteza Haghir Chehreghani , Devdatt Dubhashi , Verena Siewers , Florian David , Jens Nielsen e Aleksej Zelezniak .
I ricercatori sono attivi presso la Chalmers University of Technology, Sverige; Istituto Nazionale di Biologia, Slovenia; Biomatter Designs, Lituania; Istituto di biotecnologia, Lituania; BioInnovation Institute, Danimarca; King’s College di Londra, Regno Unito.
