人工智能创造数千个新型DNA开关设计

《自然》杂志最新发表的一篇论文，揭示了美国杰克逊实验室、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所及耶鲁大学团队，运用人工智能（AI）技术设计出数千个新型DNA开关的重大成果。这些新设计的元件能够精准控制在不同类型细胞中基因的表达，为人类的健康与医学研究带来了前所未有的机遇。

尽管基因编辑和其他基因治疗手段近年来已经取得了显著进展，使得科学家能够在活细胞中修改基因，但在不干扰整个生物体的情况下，针对特定类型的细胞进行基因干预仍然存在挑战。核心问题在于对控制基因开启和关闭的DNA开关——顺式调节元件（CRE）的理解仍然有限。此次研究的核心创新之处在于，新方法能够针对特定细胞类型精准提高或降低基因表达，同时不会影响到身体的其他部分。

研究团队采用深度学习算法，基于数十万个人类基因组中的DNA序列训练出一个先进的模型。此模型能够在实验室环境中对血液、肝脏和大脑这三种细胞中CRE的活性进行测量。AI模型的强大预测能力能够揭示DNA中新的模式，以及CRE序列的语法是如何影响RNA生成量的。

基于这些发现，团队构建了名为CODA（计算优化DNA活性）的平台。这个平台通过结合实验数据和计算建模的迭代过程，不断提升其预测CRE生物学效应的能力，并成功设计出自然界中从未出现过的CRE。

经过严格的测试，新设计的合成CRE表现出比天然存在的CRE更优越的细胞类型特异性。它们不仅包含促进目标细胞类型中基因表达的序列，还特化了抑制非目标细胞类型中基因表达的元素。团队已在斑马鱼和小鼠身上验证了几种合成CRE序列的有效性，这一突破性的进展预示着未来可能实现更加精确和个性化的基因疗法，为疾病的预防和治疗开辟了全新途径。

在生物体内，基因的表达调控极其复杂，需要确保适当的基因在正确的时间和地点被激活。此次，研究团队不仅成功合成了全新的CRE，还展示了如何运用这些CRE选择性地在大脑、肝脏或血液细胞中激活基因，同时确保这些基因在其他类型的细胞中保持沉默。这一成果在生物医学和技术领域都具有双重的重要意义。