Med hjälp av artificiell intelligens har forskare på Chalmers lyckats designa konstgjort DNA som kontrollerar cellernas proteintillverkning. Tekniken kan bidra till att vaccin, läkemedel mot svåra sjukdomar samt alternativa livsmedel utvecklas och produceras mycket snabbare och till väsentligt lägre kostnad än idag.
Den genetiska koden i vårt DNA transkriberas till molekylen mRNA, som fungerar som en budbärare som talar om för cellens fabrik vilket protein den ska producera, samt i vilka mängder. Processen är grundläggande för cellernas funktionalitet i alla levande organismer.
Forskare har lagt stor kraft på att försöka kontrollera genuttrycket eftersom det bland annat kan bidra till utveckling av proteinbaserade läkemedel. Ett aktuellt exempel är mRNA-vaccin mot covid19, som talar om för kroppens celler att de ska producera samma protein som finns på coronavirusets yta. Kroppens immunförsvar kan då lära sig att bilda antikroppar mot viruset. På samma sätt är det möjligt att lära kroppens immunförsvar att besegra cancerceller eller andra komplexa sjukdomar, om man vet förstår den genetiska kod som ligger bakom produktionen av specifika proteiner.
En majoritet av dagens nya läkemedel är just proteinbaserade, men teknikerna för att framställa dem är både dyra och långsamma, eftersom det är svårt att kontrollera hur DNA uttrycks. En forskargrupp på Chalmers, som leds av Aleksej Zelezniak, docent i systembiologi, tog förra året ett viktigt steg i förståelsen för hur mycket av ett protein som tillverkas av en viss DNA-sekvens.
− Först handlade det om att fullt ut kunna ”läsa” DNA-molekylens instruktioner. Nu har vi lyckats designa eget DNA som innehåller precis de instruktioner som behövs för att kontrollera vilken mängd av ett specifikt protein som tillverkas, säger Aleksej Zelezniak om forskargruppens senaste viktiga genombrott.
Printar DNA på beställning
Principen bakom den nya metoden liknar den som används när en AI genererar ansikten som ser ut som verkliga människor. Genom att AI:n lär sig hur en stor mängd ansikten ser ut kan den sedan skapa helt nya verklighetstrogna ansikten. Det är sedan lätt att modifiera ansiktet genom att exempelvis säga att det ska bli äldre, eller ha en annan frisyr. Men att däremot från noll programmera ett trovärdigt ansikte utan AI hade varit mycket svårare och mer tidskrävande. På samma sätt har forskarnas AI fått lära sig strukturen och den mängdreglerande koden i DNA. AI:n designar sedan syntetiskt DNA, som är lätt att modifiera i önskvärd riktning. Enkelt uttryck får AI:n en beställning på hur mycket av en gen som behöver uttryckas, och ”printar” sedan rätt DNA-sekvens.
− DNA är en otroligt lång och komplex molekyl. Det är därför mycket utmanande att på experimentell väg göra förändringar i den genom att läsa, ändra, läsa och ändra igen. Det tar åratal av forskning för att hitta något som fungerar. Då är det i stället mycket mer effektivt att låta en AI lära sig hur principerna för att navigera DNA fungerar. Det som annars tar år kan kortas till veckor eller dagar, säger studiens försteförfattare Jan Zrimec, tidigare forskare i Aleksej Zelezniaks grupp och numera verksam vid National Institute of Biology i Slovenien.
Forskarna har utvecklat sin metod på jästsvampen Saccharomyces cerevisiae, vars celler liknar däggdjursceller. Nästa steg är att använda människoceller. Forskarna har förhoppningar om att deras framsteg ska få betydelse för utvecklingen av nya såväl som befintliga läkemedel.
− Proteinbaserade läkemedel mot komplexa sjukdomar, eller alternativa livsmedelsproteiner, kan ta många år och vara extremt dyra att tillverka. En del blir så dyra att det inte går att få en ekonomisk avkastning på investerade pengar. Med vår teknik är det möjligt att utveckla och tillverka proteiner på ett effektivare sätt så att de kan kommersialiseras, säger Aleksej Zelezniak.
Studiens författare är 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 och Aleksej Zelezniak.
Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Sverige; National Institute of Biology, Slovenien; Biomatter Designs, Litauen; Institute of Biotechnology, Litauen; BioInnovation Institute, Danmark; King’s College London, Storbritannien.
Bildext: Aleksej Zelezniak, docent, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers
Illustration: Yen Strandqvist, Chalmers
För mer information, kontakta: Aleksej Zelezniak, docent, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers, 031-772 81 71, aleksej.zelezniak@chalmers.se
Läs hela studien: Controlling gene expression with deep generative design of regulatory DNA
Karin Wik
Presskommunikatör
0708-86 48 35
karin.wik@chalmers.se
________________
Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.
Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. EU:s största forskningsinitiativ – Graphene Flagship – leds av Chalmers, liksom bygget av en svensk kvantdator.
Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.
—
Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.
Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:
- Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
- Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn