Genetik Düzenlemede Yeni Bir Dönem: OpenCRISPR-1

Merkezde OpenCRISPR-1 olmak üzere yapay zekâ yapımı bazı protein tasarımları

Profluent Bio adlı biyoteknoloji şirketi, gen düzenleme alanında önemli bir adım attı. Şirket, yapay zekâ kullanarak doğada bulunmayan ama laboratuvar ortamında biyolojik olarak işlevsel olan bir gen düzenleyici proteini tasarladı. OpenCRISPR-1 adı verilen bu yeni protein, doğadaki CRISPR-Cas9 sistemlerinden epey farklı bir yapıya sahip.  Buna rağmen gen düzenleme işlemini hem başarıyla hem de büyük bir hassasiyetle gerçekleştirebiliyor.

Doğal CRISPR-Cas sistemleri, bakterilerin kendilerini virüslere karşı savunmak için kullandıkları bir tür bağışıklık mekanizmasıdır. Bilim insanları, bu sistemi laboratuvar ortamında hastalığa neden olan mutasyonlu genleri kesip düzenlemek için kullanıyor. Ancak bu sistemler laboratuvar ortamlarında her zaman istenilen düzeyde verimli çalışmaz çünkü CRISPR-Cas sistemi hedeflenen geni her zaman doğru noktadan kesmeyebilir veya hücre onarım mekanizmaları istenilen değişikliği yapmayabilir. Ayrıca hedef dışı kesimler oluşabilir, CRISPR bileşenlerinin hücreye ulaştırılması zor olabilir ve bunun etik açıdan tartışmalı yönleri de bulunmaktadır. Bu nedenle bilim insanları bu eksiklikleri azaltmak ve sistemi geliştirmek için çeşitli yöntemler deniyor.  Ancak  sistemleri optimize etmeye çalışsalar da uyguladıkları yöntemler hem zaman alıcı hem de sonuçlar sınırlı. Yapay zekâ, işte bu noktada devreye giriyor ve güçlü bir alternatif sunuyor.

Profluent Bio’nun geliştirdiği bu sistem ile yapay zekâya 1 milyondan fazla CRISPR örneği inceletildi ve bununla yaklaşık 26 terabaytlık dev bir genomik veriyle eğitim verildi. Bu modelin adı ProGen2 olarak belirlendi. Model, protein yapılarını öğrenip üretme kabiliyeti kazandıktan sonra tam 4 milyondan fazla genetik düzenleme mekanizmasına sahip yeni CRISPR-Cas proteinlerini tasarladı. Bu dizilerin yaklaşık yarısı sıfırdan oluşturulurken kalan yarısı mevcut örneklerin yapay kombinasyonlarıyla elde edildi.

Üretilen seçenekler arasından 5.000 tanesi seçildi ve yapay zekâ tabanlı AlphaFold2 sistemi kullanılarak proteinlerin üç boyutlu yapıları tahmin edildi. Ardından üretilen 209 tane örnek insan hücrelerinde test edildi. Yapılan testler sırasında her bir proteinin gen düzenleme kapasitesi ve hedef dışı (off-target) etkileri değerlendirildi. Sonuçlar, bu yapay proteinlerin büyük kısmının işlevsel olduğunu ve bazılarının yapılan testlerde geleneksel Cas9 proteinlerinden daha iyi performans sergilediklerini ortaya koydu.

OpenCRISPR-1 proteininin tasarım, üretim ve test aşamaları

Bunlar arasında OpenCRISPR-1 adlı protein, özellikle dikkat çekici bulundu. Çünkü bu yapay protein, gen düzenlemesinde yaygın şekilde kullanılan Streptococcus pyogenes bakterisinden alınan SpCas9 proteini ile benzer verimlilik gösterirken hedeflenen gen sekansına daha yüksek bir özgüllükle kesim gerçekleştirebiliyor. 1.380 amino asit yani yaklaşık 0,5 mikrometre uzunluğunda olan OpenCRISPR-1, SpCas9 proteini ile karşılaştırıldığında 403 amino asitlik farklılık gösteriyor ve bunun doğada eşi benzeri bulunmuyor. En yakın doğal benzeri bile yalnızca %60 benzerlik taşıyor ve 182 amino asitlik fark içeriyor.

OpenCRISPR-1’in bir diğer önemli avantajı ise bağışıklık sistemiyle olan etkileşim düzeyi. Bu protein, bağışıklık sisteminin T hücreleri tarafından tanınan antijen bölgelerini taşımadığı için vücutta daha az bağışıklık tepkisine yol açıyor. Böylece vücutta daha uzun süre kalabilme potansiyeline sahip.

Profluent Bio’nun kurucusu Ali Madani, yapay zekâ destekli bu modelin yalnızca genetik düzenleyici olmadığını, doğal süreçlerle sınırlı kalmayan çok yönlü bir gelişme olduğunu vurguluyor. Ona göre doğal bir özelliğin gelişmesi başka özelliklerin baskılanmasına neden olabilirken yapay zekâ ile bu sınırlamaları aşarak birden fazla özelliği aynı anda iyileştirmek mümkün. Örneğin bir proteinin DNA üzerindeki tanıma yeteneği arttırılabilir, belirli bölgeler kesilerek ısıya dayanıklılığı veya moleküler boyutu küçültülebilir.

Bu çalışma, sadece CRISPR’yi genişletmekle kalmıyor, aynı zamanda özelleştirilmiş gen düzenleyicilerin tasarlanmasının da önünü açıyor. İlerleyen süreçte Cas9 dışında kalan CRISPR sistemlerinin de aynı yöntemler kullanılarak yapay zekâ aracılığıyla geliştirilebileceği öngörülüyor.

Yine de yapay proteinlerin uzun vadeli biyolojik etkileri, bağışıklık sistemiyle etkileşimleri ve klinik kullanımda karşılaşılabilecek potansiyel yan etkileri gibi birçok konu hâlâ araştırma aşamasında. Ancak şu açık: OpenCRISPR-1, yapay zekânın biyoteknolojiye sunduğu potansiyelin güçlü bir kanıtı.

Kaynaklar:

• https://crisprmedicinenews.com/news/opencrispr-1-generative-ai-meets-crispr/
• Ruffolo, J. A., Nayfach, S., Gallagher, J., Bhatnagar, A., Beazer, J., Hussain, R., ... & Madani, A. (2024). Design of highly functional genome editors by modeling the universe of CRISPR-Cas sequences. BioRxiv, 2024-04.
• Şekil 1: https://github.com/Profluent-AI/OpenCRISPR/blob/main/imgs/header.png

Yazar Hakkında:

Çiçek Dila Yolcu

TÜBİTAK Fen Lisesi 10. Sınıf  Öğrencisi, TÜBİTAK MAM Biyoteknoloji Enstitüsünde stajyer