CRISPR-Cas9: Künstliche Intelligenz beteiligt sich an der Gen-Editierung

Der CRISPR-Cas9, der 2013 entdeckt wurde, ist eine neue revolutionäre Technik der Genbearbeitung.

Ob es nun als Wunderlösung zur Behandlung genetischer Krankheiten oder als mächtiges Werkzeug zur Vermehrung des Menschen und zur Schaffung einer widerstandsfähigeren menschlichen Art beschrieben wird, CRISPR-Cas9 ist zu einem wunderbaren Forschungsgebiet für die wissenschaftliche Gemeinschaft geworden. Eine, die die KI mit einbezieht. Richard Sherwood, Assistant Professor of Medicine an der Brigham and Women's Hospital in der Harvard Medical School (Boston), entwickelte InDelphi, ein Computerprogramm mit KI, das CRISPR-Reparaturergebnisse vorhersagen kann. Wir haben mit ihm gesprochen.

Richard Sherwood

DirectIndustry E-Magazin: Können Sie kurz erklären, wie CRISPR-Cas9 funktioniert?

Richard Sherwood: In der Biologie ist CRISPR-Cas9 ein bakterielles Immunsystem gegen Viren. Bakterien haben eine Methode entwickelt, um bestimmte DNA-Sequenzen zu erkennen und dann das Cas9-Enzym, das ein molekulares Scherenpaar ist, zu verwenden, um diese DNA-Sequenz zu zerkleinern, die das Virus im Grunde genommen tötet. Was Forscher in der Lage gewesen sind, über 20 Jahre der Forschung zu tun, ist, dieses System zu entführen, damit jetzt gerade indem sie das Cas9 Enzym zu jeder möglicher DNA-Sequenz Ihrer Wahl in einer menschlichen Zelle führen, Sie das Cas9 Enzym veranlassen können, diese Sequenz zu schneiden. Dann passiert, dass die menschliche Zelle, im Gegensatz zum Virus, nicht einfach stirbt, sondern einen Weg findet, diesen Schnitt zu reparieren. Diese Reparatur führt oft zu einer Mutation. Die Ursache von DNA-Mutationen ist das Herzstück des CRISPR Cas9-Feldes. Aus Forschungssicht ist es unglaublich nützlich, da viele erbliche Erbkrankheiten und auch Krebserkrankungen tatsächlich durch DNA-Mutationen verursacht werden.

DI e-mag: Könnten Sie uns mehr über InDelphi erzählen?

R.S.: Die Motivation für das, was wir getan haben, ist, dass die meisten Menschen CRISPR benutzt haben, um Gene zu brechen. Ich benutze oft diese Analogie: Wenn du einen Hammer hast, ist der einfachste Weg, ihn zu benutzen, etwas zu brechen, aber du kannst ihn auch benutzen, um eine Skulptur zu meißeln und herzustellen, wenn du ihn richtig benutzt. Das ist es, was wir uns angesehen haben: Können wir Cas9 auf eine verfeinerte Art und Weise nutzen, um zu wissen, was wir tun, und in einigen Fällen tatsächlich in der Lage sein, gebrochene Gene zu reparieren?

Der eigentliche Prozess, den wir uns angesehen haben, ist das, was in einer Zelle passiert, nachdem die DNA dieser Zelle mit CRISPR geschnitten wurde. Wir haben herausgefunden, dass, wenn eine Zelle geschnitten wurde, die Reparatur nicht zufällig ist; es gibt sehr spezifische Möglichkeiten, wie die Zelle die Schnitte von CRISPR repariert. So konnten wir maschinelles Lernen nutzen, um ein Computerprogramm zu haben, das vorhersagen kann, wie dies geschieht. Was wir also jetzt tun können, und das war bisher nicht möglich, ist, wenn CRISPR an eine Stelle im Genom geleitet wird, können wir tatsächlich vorhersagen, welche Art von Mutationen verursacht werden. Unser Algorithmus war in der Lage, Muster zu finden, und eines der wirklich überraschenden Dinge, die dabei herauskamen, war, dass es bestimmte Stellen im Genom gibt, an denen, wenn CRISPR schneidet, die Zelle im Grunde genommen eine dominante Art hat, diesen Bruch zu reparieren.

DI e-mag: Woher weiß die Maschine das? Wie trainiert man es?

R.S...: Wir tun dies, indem wir viele und viele Daten generieren. Wir haben einen Ansatz entwickelt, bei dem wir CRISPR auf Tausende von verschiedenen Stellen im Genom ausrichten und überwachen können, welche Art von Mutationen es verursachen kann. Das war ein reichhaltiger Datensatz, der Hunderte von Millionen von tatsächlichen DNA-Mutationen enthielt. Mit diesem beispiellos großen Datensatz über die Arten von Mutationen, die durch CRISPR verursacht werden, konnten wir den Algorithmus trainieren, um nach Mustern zu suchen. Es war in der Lage, Muster zu finden, und eines der wirklich überraschenden Dinge, die dabei herauskamen, war, dass es bestimmte Stellen im Genom gibt, an denen die Zelle, wenn CRISPR schneidet, im Grunde genommen eine dominante Möglichkeit hat, diesen Bruch zu reparieren.

Es ist, als ob man ein Stück Glas zerbricht, man erwartet, dass es in mehrere Stücke zerbricht und man kann nicht vorhersagen, welche Art von Stücken man bekommt. Was wir gezeigt haben, ist, dass, wenn man ein Stück Glas (an einer bestimmten Stelle) zerbricht, es immer auf eine bestimmte Weise zerbricht.

DI e-mag: Wie können Sie sicher sein, dass die Vorhersagen der Maschine korrekt sind?

Mit freundlicher Genehmigung von InDelphi

R.S.: Im Bereich des maschinellen Lernens gibt es ziemlich standardisierte Möglichkeiten, die Genauigkeit zu testen. Im Allgemeinen trainieren Sie Ihr Programm auf 80 oder 90% Ihrer Daten und verwenden dann die restlichen 10 oder 20%, um zu testen, wie gut der Algorithmus funktioniert. Unser Algorithmus war bei der Vorhersage der Reparaturereignisse äußerst genau. Seitdem haben wir tatsächlich einen ganzen anderen Satz von Tausenden von gebrochenen Stellen im Genom gemacht und festgestellt, dass der Algorithmus ebenso genau darin war, vorherzusagen, was an diesen Stellen passiert ist.

Wir haben das nur bei Zellen in einer Schale gemacht. Bevor wir jemals darüber nachdenken würden, es therapeutisch am Patienten anzuwenden, wollen wir es in Tiermodellen und schließlich an klinisch relevanteren Stellen testen.

DI e-mag: Was ist mit der Anwendung von CRISPR bei gesunden Menschen? Biohacker Josiah Zayner behauptet, dass er CRISPR auf seiner eigenen DNA verwendet hat. Was denkst du denn?

R.S...: Im Moment ist meine Vermutung, dass die Leute, die behaupten, CRISPR außerhalb des medizinischen Systems zu verwenden, nicht wirklich etwas Hilfreiches tun. In der

e medizinischen Bereich haben wir eine sehr gut getestete Methode, um festzustellen, ob etwas für Patienten nützlich ist, die als klinische Studien bezeichnet wird. Ich würde keine Dinge außerhalb der klinischen Studien glauben.

DI e-mag: Wer kann die CRISPR-Technologie nutzen? Ist es einfach?

R.S.: Ja und das ist einer der Gründe, warum CRISPR so revolutionär ist: Für Wissenschaftler ist es extrem einfach zu bedienen. Es ist wirklich am besten in einem Labor geeignet, da Sie sowohl das Cas9-Enzym als auch die Führungs-RNA in Ihre Zelle einbringen müssen. Es gibt sehr gut verteilte Wege im Labor, um das sehr einfach zu machen. Dies funktioniert so ziemlich bei jeder Art von Tier oder Pflanze. Außerhalb eines Labors weiß ich nicht, welche Art von Leuten versuchen, einige Experimente durchzuführen, aber CRISPR ist sicherlich für jeden Wissenschaftler zugänglich. Sie können das Cas9-Protein selbst, das jemand anderes gereinigt hat, von medizinischen Unternehmen kaufen. Sie können die Führungs-RNA auch als DNA kaufen.

DI e-mag: Was ist mit der transhumanistischen Perspektive, CRISPR zu nutzen, um erweiterte Menschen zu erschaffen?

R.S.: Auf lange Sicht, ja, ich denke, es könnte verwendet werden, um Menschen zu vermehren, weil es eine Technologie ist, die Gene verändern kann. Aber wir benutzen es schon seit sehr kurzer Zeit, wir haben auch gesehen, dass es unbeabsichtigte Folgen haben kann. Wir befinden uns noch in einem so frühen Stadium der Forschung, dass der Gedanke, es für etwas zu verwenden, das eine genetische Krankheit nicht korrigiert, für mich sehr verfrüht ist, weil wir die langfristigen Auswirkungen nicht verstehen.

DI e-mag: Glauben Sie, dass wir mit CRISPR einen neuen Menschen schaffen werden?

R.S.: Kurzfristig würde ich sagen, die Antwort ist nein. Viele spannende Entdeckungen in der Medizin sind in den letzten 25 Jahren entstanden, aber es dauert wirklich Jahrzehnte, bis sie einen großen Einfluss auf das Gesundheitswesen haben. Ein Beispiel ist die Nutzung des Immunsystems zur Krebsbekämpfung. Diese Idee ist in den letzten 10 bis 20 Jahren entstanden und erst jetzt gibt es die erste Immuntherapie auf dem Markt - die einige Wundermittel erhalten hat. Allerdings ist es noch ein langer Weg. Für CRISPR ist es also dasselbe. Wir könnten einen hundertjährigen Horizont betrachten, denke ich, dann kann es Auswirkungen haben, und wir könnten diese Diskussion wieder führen....