Wetenschappers van het VIB-KU Leuven Center for Brain and Disease Research en VIB.AI zijn erin geslaagd synthetisch DNA te creëren met behulp van artificiële intelligentie. Het AI-model kon 'enhancers', of 'schakelaars', ontwerpen waarmee specifieke genen geactiveerd kunnen worden. "Baanbrekend", zegt het team er zelf over. Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenommeerd wetenschappelijk tijdschrift Nature.
Belgische wetenschappers creëren synthetisch DNA met behulp van artificiële intelligentie
Alle cellen in ons lichaam, van onze ogen tot onze maag, hebben allemaal hetzelfde DNA. Maar niet al dit DNA wordt in elk celtype benut.
Genactiviteit wordt bepaald door een reeks instructies binnen het DNA, de zogenaamde regulatorische code. Dat zit zo. Van DNA is al lang geweten dat de volgorde van de basenparen, voorgesteld door de letters A, C, G en T, zorgen voor de aanmaak van bepaalde eiwitten, die nodig zijn voor de werking van alle menselijke cellen.
Het team heeft een deep learningmodel getraind om een code voor de activering van genen te kraken
VIB.AI en VIB-KU Leuven Center for Brain & Disease Research
Een stuk DNA dat voor een bepaalde eigenschap codeert, vormt een gen. Welke genen op welk moment geactiveerd worden, hangt af van een proces dat de 'regulatorische code' genoemd wordt. De logica achter die code is al decennialang voer voor onderzoek.
"Een team onder leiding van professor Stein Aerts en dr. Ibrahim I. Taskiran heeft nu een deep learning model getraind om deze code te kraken. Dit model kon de enhancer-code ontcijferen en leverde daarmee ongekende nieuwe inzichten op," zo melden de onderzoekers vandaag.
Van de code naar de 'schakelaars'
Een cruciaal element in de regulatorische code, zijn de 'enhancers', ofwel 'schakelaars'. Enhancers zijn stukjes DNA die zich rond de genen bevinden, en waarop eiwitten binden. Als dat gebeurt, activeren ze een bepaald gen. Een cel kan tot expressie komen als de welbepaalde genen geactiveerd worden, die allemaal precies gereguleerd moeten worden door hun enhancers.
Het team van professor Stein Aerts (VIB-KU Leuven) werkt al meer dan twintig jaar op de regulatorische code. "Stapje voor stapje hebben we meer inzicht gekregen in de code", vertelt Aerts. "Sinds 2015 zijn we aan het werken met deep learning-modellen. Dit heeft een enorme stroomversnelling in het onderzoek gebracht."
Nog een stap verder
Omdat elke enhancer bestaat uit meerdere honderden basenparen, zijn de verschillende mogelijkheden van sequentie, of volgorde, zo goed als eindeloos. Door het AI-model meer data te geven en te verbeteren, kon het voorspellen welke enhancersequentie actief was in een celtype en welke niet.
"Daarna zijn we nog een stap verder gegaan en hebben we via experimenten aanpassingen gedaan aan de enhancers: we lieten bijvoorbeeld een base weg of voegden een toe", vertelt professor Aerts. "Zo konden we snel nagaan welke impact dat had. Het AI-model biedt zo inzichten in hoe de synthetische enhancers zijn opgebouwd en welke eiwitten er al dan niet op binden."
Dankzij ons AI-model kunnen we de veiligheid van gentherapie verhogen
Professor Stein Aerts
Het model is uitgetest op hersencellen van fruitvliegjes en op een type huidcel van mensen. Omdat fruitvliegjes zo klein zijn en hun DNA eenvoudig te manipuleren is, doen genetici vaak hun eerste ontdekkingen in dit modelorganisme.
"Maar het team slaagde er vervolgens ook in om hun nieuwe aanpak met succes in te zetten voor het ontwerpen van enhancers voor menselijk DNA", klinkt het. Uiteindelijk is het de bedoeling om voor elke menselijke cel de enhancers uit te lezen: intussen zijn de onderzoekers aan de slag met onder meer verschillende types kankercellen en menselijke hersencellen.
De bevindingen zijn interessant voor algemeen DNA-onderzoek, maar zijn ook cruciaal voor toekomstige gentherapieën.
"Voor toekomstige therapieën zal het nodig zijn dat bepaalde genen geactiveerd worden in bepaalde cellen, maar net niet in andere cellen", geeft Aerts als voorbeeld. "Dankzij de informatie van ons AI-model kan de veiligheid van gentherapie verhoogd worden."
Meer weten? Klik hier voor de studie in het vakblad Nature. Het werk kreeg ondersteuning van de European Research Council en het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen
