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合成生物學獲里程碑進展——AI設計出特定類型細胞“基因開關”

2025-05-09 01:35:00 來源: 科技日報 點擊數:

科技日報記者 張夢然

《細胞》雜志8日發表了一項新研究:西班牙基因組調控中心團隊利用生成式人工智能(AI),設計出一種合成DNA序列,可作為“基因開關”,控制哺乳動物特定細胞中的基因表達。這一進展堪稱合成生物學領域的一個里程碑。

這項技術可根據特定需求,從零開始“創作”自然界中不存在的DNA片段。團隊訓練AI模型預測合適的DNA字母組合(A、T、C、G),以實現特定細胞類型中的基因表達模式。例如,可以讓干細胞開啟某個基因,從而發育成紅細胞而不是血小板。隨后,研究人員將這些約250個字母長度的DNA片段合成出來,并通過病毒載體導入細胞中。

為驗證其有效性,團隊讓AI設計激活熒光蛋白基因的DNA序列,并將其插入小鼠血細胞基因組的隨機位置。結果顯示,基因表達完全符合預期,證明AI設計的合成增強子功能正常。

在生物醫學領域,許多疾病源于特定細胞中基因表達異常,而傳統方法只能依賴自然界已有的DNA調控元件,如增強子進行干預。但增強子種類有限,難以滿足復雜的治療需求。

借助AI,科學家可以創造出“基因開關”。這些人工增強子能被精確設計成只在特定細胞中起作用的“開/關”模式,從而大幅減少對健康細胞的副作用。這種精準調控對于開發新一代基因療法至關重要。

不過,要訓練這樣的AI模型并不容易,與增強子相關的高質量數據一直匱乏。為此,團隊在過去5年中開展了超過64000次實驗,構建了迄今為止最大的血細胞合成增強子數據庫。他們測試了38種不同轉錄因子的結合位點排列和強度,并追蹤每種增強子在血細胞發育7個階段中的活性變化。

研究還發現了一些有趣的現象:雖然大多數增強子像“音量旋鈕”一樣調節基因活性,但也有一些組合表現出“負協同效應”——即原本單獨促進基因表達的兩個因子,共同出現時反而抑制了基因活動。這種非線性關系為理解基因調控提供了新視角。

這一成果為未來個性化醫療和精準基因治療打開了新的大門。

責任編輯:常麗君

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