AI skräddarsyr DNA för framtidens läkemedel

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 och nya livsmedel kan utvecklas.

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 och i vilka mängder. Processen är grundläggande för cellernas olika funktioner i levande organismer.

Forskare har lagt stor kraft på att försöka kontrollera genuttrycket eftersom det bland annat kan bidra till utveckling av proteinbaserade läkemedel.

Vacciner och läkemedel

Ett aktuellt exempel är mRNA-vaccin mot covid-19. Det 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 svåra sjukdomar, om man vet och 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. Det är nämligen svårt att kontrollera hur DNA uttrycks.

Konstgjort DNA ger instruktioner

Förra året tog en forskargrupp på Chalmers 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 som leder forskargruppen på Chalmers.

Principen bakom den nya metoden liknar den som används när en AI genererar ansikten som ser ut som verkliga människor. Genom att lära 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.

Printar DNA på beställning

På samma sätt har forskarnas AI fått lära sig strukturen och den mängdreglerande koden i DNA. AI designar sedan syntetiskt DNA som är lätt att förändra i önskvärd riktning. Enkelt uttryck får den 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 forskaren Jan Zrimec.

Hopp om utveckling av läkemedel

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.

Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, National Institute of Biology i Slovenien, Biomatter Designs och Institute of Biotechnology i Litauen, BioInnovation Institute i Danmark och King’s College London, Storbritannien.

Studien:

Controlling gene expression with deep generative design of regulatory DNA, Nature Communications.