La Inteligencia Artificial está viviendo su mejor momento en los últimos meses, con todo tipo de noticias sobre nuevas herramientas y aplicaciones en todos los campos del saber, la ciencia o la industria. También en el campo de la Salud, la Medicina y la Ingeniería Genética hay avances que podrían mejorar nuestra calidad de vida.
Nueva herramienta de inteligencia artificial hace posible la edición rápida de genes
Un programa de inteligencia artificial (IA) puede permitir la primera producción simple de proteínas personalizables llamadas dedos de zinc para tratar enfermedades activando y desactivando genes.
Los investigadores de la Escuela de Medicina Grossman de la NYU y la Universidad de Toronto que diseñaron la herramienta dicen que promete acelerar el desarrollo de terapias génicas a gran escala.
Enfermedades como la fibrosis quística, la enfermedad de Tay-Sachs y la anemia de células falciformes son causadas por errores en el orden de las letras del ADN que codifican las instrucciones de funcionamiento de cada célula humana. En algunos casos, los científicos pueden corregir estos errores con métodos de edición de genes que reorganizan estas letras.
Otras condiciones no son causadas por un error en el código en sí, sino por problemas en la forma en que la maquinaria celular lee el ADN, un proceso llamado epigenética. Un gen, que proporciona la receta para una proteína en particular, a menudo se asocia con moléculas llamadas factores de transcripción que le dicen a la célula qué cantidad de esa proteína debe producir. Cuando este proceso sale mal, los genes hiperactivos o hipoactivos contribuyen a la diabetes, el cáncer y los trastornos neurológicos. Como resultado, los investigadores han estado explorando formas de restaurar la actividad epigenética normal.
Una de esas técnicas es la edición con dedos de zinc, que puede cambiar y controlar los genes.
Entre las estructuras de proteínas más abundantes en el cuerpo humano, los dedos de zinc pueden guiar la reparación del ADN agarrando enzimas similares a tijeras y dirigiéndolas para cortar segmentos defectuosos del código.
De manera similar, los dedos de zinc (Zinc-finger nucleases o ZFNs) también pueden engancharse en los factores de transcripción y atraerlos hacia un segmento genético que necesita regulación.
Las nucleasas con dedos de zinc ( ZFN ) son enzimas de restricción artificiales generadas al fusionar un dominio de unión al ADN con dedos de zinc con un dominio de escisión del ADN.
Al personalizar estas instrucciones, los ingenieros genéticos pueden adaptar la actividad de cualquier gen. Sin embargo, un inconveniente es que los dedos de zinc artificiales son difíciles de diseñar para una tarea específica. Dado que estas proteínas se unen al ADN en grupos complejos, los investigadores tendrían que ser capaces de decir, entre innumerables combinaciones posibles, cómo interactúa cada dedo de zinc con su vecino para cada cambio genético deseado.
La nueva tecnología de los autores del estudio, llamada ZFDesign, supera este obstáculo mediante el uso de IA para modelar y diseñar estas interacciones. El modelo se basa en datos generados por la pantalla de casi 50 mil millones de posibles interacciones entre dedos de zinc y ADN en los laboratorios de los investigadores. El informe sobre la herramienta se titula A universal deep-learning model for zinc finger design enables transcription factor reprogramming y fue publicado en línea el 26 de enero en la revista Nature Biotechnology .
«Nuestro programa puede identificar la agrupación correcta de dedos de zinc para cualquier modificación, lo que hace que este tipo de edición de genes sea más rápido que nunca», dice el autor principal del estudio, David Ichikawa, PhD, exestudiante graduado en NYU Langone Health.
El Dr. Ichikawa señala que la zinc-finger editing ofrece una alternativa potencialmente más segura a CRISPR, una tecnología clave de edición de genes con aplicaciones que van desde encontrar nuevas formas de matar células cancerosas hasta diseñar cultivos más nutritivos. A diferencia de los dedos de zinc totalmente humanos, CRISPR, que significa repetición palindrómica corta agrupada y regularmente interespaciada (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat), se basa en proteínas bacterianas para interactuar con el código genético. Estas proteínas «extrañas» podrían activar los sistemas de defensa inmunitaria de los pacientes, que podrían atacarlos como cualquier otra infección y provocar una inflamación peligrosa.
Los autores del estudio agregan que además de presentar un menor riesgo inmunológico, el tamaño pequeño de las herramientas con dedos de zinc también puede proporcionar técnicas de terapia génica más flexibles en comparación con CRISPR al permitir más formas de entregar las herramientas a las células correctas en los pacientes.
«Al acelerar el diseño de dedos de zinc junto con su tamaño más pequeño, nuestro sistema allana el camino para usar estas proteínas para controlar múltiples genes al mismo tiempo», dice el autor principal del estudio, Marcus Noyes, PhD .
“En el futuro, este enfoque puede ayudar a corregir enfermedades que tienen múltiples causas genéticas, como enfermedades cardíacas, obesidad y muchos casos de autismo”.
Para probar el código de diseño de IA de la computadora, el Dr. Noyes y su equipo usaron un dedo de zinc personalizado para interrumpir la secuencia de codificación de un gen en las células humanas. Además, construyeron varios dedos de zinc que reprogramaron con éxito los factores de transcripción para unirse cerca de una secuencia de genes objetivo y aumentar o disminuir su expresión, lo que demuestra que su tecnología puede usarse para cambios epigenéticos.
El Dr. Noyes, profesor asistente en el Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de NYU Langone, advierte que, si bien son prometedores, los dedos de zinc pueden ser difíciles de controlar. Dado que no siempre son específicos de un solo gen, algunas combinaciones pueden afectar las secuencias de ADN más allá de un objetivo en particular, lo que lleva a cambios no deseados en el código genético.
Como resultado, el Dr. Noyes dice que el equipo planea refinar su programa de inteligencia artificial para que pueda construir agrupaciones de dedos de zinc más precisas que solo promuevan la edición deseada.
El Dr. Noyes también es miembro del Instituto de Genética de Sistemas de NYU Langone. Los fondos para el estudio fueron proporcionados por las subvenciones R01GM118851 y R01GM133936 de los Institutos Nacionales de Salud. La subvención PJT-159750 del Proyecto de Investigación en Salud de los Institutos Canadienses de Salud proporcionó fondos adicionales, la Asignación de recursos de Compute Canada, la Beca para graduados Frederick Banting y Charles Best Canada y la Beca para graduados de Ontario.
El Dr. Noyes es cofundador de TBG Therapeutics, una empresa que desarrolla métodos para diseñar dedos de zinc y aplicarlos a tratamientos para enfermedades con componentes genéticos. NYU Langone tiene patentes pendientes (PCT/US21/30267, 63145929) para estas herramientas y enfoques, de los cuales tanto el Dr. Noyes como NYU Langone pueden beneficiarse económicamente. Los términos y condiciones de estas relaciones se gestionan de acuerdo con las políticas de NYU Langone.
Además del Dr. Noyes, otros investigadores de la NYU que participaron en el estudio fueron Manjunatha Kogenaru, PhD; Abril Mueller, BS; David Giganti, doctorado; Gregorio Goldberg, PhD; Samantha Adams, PhD; Jeffrey Spencer, PhD; Courtney Gianco; Finnegan Clark, Licenciada en Ciencias; y Timothée Lionnet, PhD . Otros investigadores del estudio incluyeron a Osama Abdin, BS; Nader Alerasool, PhD; Han Wen, MS; Rozita Razavi, PhD, MPH; Dra. Satra Nim; Hong Zheng, doctorado; Mikko Taipale, PhD; y Philip Kim, PhD, de la Universidad de Toronto. El autor principal del estudio, David Ichikawa, PhD, se encuentra en el Laboratorio de Respuesta a la Pandemia en Long Island City, Nueva York.
Fuente: NYU Langone
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