诺贝尔奖得主、CRISPR技术的共同发明者詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）最近在《连线》杂志上发表的一篇文章中强调了将人工智能（AI）与CRISPR结合的深远影响。她指出，AI分析大量基因组数据的能力加速了更高效基因编辑工具的发现，并提高了基因修饰的精确度。
那么，AI将如何改变CRISPR呢？让我们一探究竟！
协同效应：为什么AI和CRISPR如此契合
虽然CRISPR技术具有革命性，但其成本仍然很高——每名患者约为200万美元。此外，CRISPR的应用通常需要骨髓移植，这远非一个简单的程序。这是AI在未来可以发挥重要作用的地方。AI加速了新型CRISPR相关蛋白的识别，例如较小的Cas变体，这些变体对于高效的基因编辑至关重要。例如，创新基因组学研究所的研究人员利用基于AI的结构搜索发现了先前未被识别的Cas13酶，扩展了用于RNA靶向的CRISPR工具箱。AI加速的发现不仅限于新型CRISPR蛋白和酶的识别，还可以帮助找到更有效的递送方法。
基因编辑的精确性至关重要，而AI通过预测和最小化脱靶效应在这方面发挥了重要作用。深度学习模型如DeepCRISPR和CRISPR-M分析基因组序列，设计最佳的引导RNA（gRNA），从而提高靶向准确性。这些由AI驱动的工具减少了意外编辑，从而提高了基于CRISPR的干预措施的安全性和有效性。
反过来，CRISPR技术为训练和优化AI模型提供了一个动态平台。CRISPR诱导的基因变化的精确性和可编程性为AI提供了一个受控环境，使其能够学习和预测生物学结果。这种共生关系使开发更适合复杂生物系统的更准确AI算法成为可能，意味着AI与CRISPR的结合只会随着时间的推移变得更加紧密。
前沿：谁在将AI与CRISPR结合
AI和CRISPR基因编辑技术的结合正在推动生物技术进入新的领域。几家创新公司正处于这一协同效应的前沿。
巨兽生物科学（Mammoth Biosciences）
由詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）共同创立的巨兽生物科学（Mammoth Biosciences）正在开创基于CRISPR的诊断和治疗。巨兽的核心方法是其基于AI的宏基因组发现平台。
宏基因组学涉及研究环境样本（如土壤、水或人体微生物组）中所有微生物（病毒、细菌、古菌）的DNA，这会产生大量的遗传数据。巨兽使用AI算法分析这些数据集，寻找比著名的Cas9更小、更高效、更容易递送到人类细胞中的新型CRISPR相关蛋白。
手动筛选这些庞大的数据集以识别功能蛋白需要数年时间。AI通过识别蛋白质结构中的模式并预测其潜在功能和效果，加速了这一过程。这些CRISPR工具克服了递送挑战，特别是对于需要通过病毒载体或脂质纳米颗粒递送的疗法，使得体内基因编辑疗法成为可能且更安全。
2024年4月，巨兽生物科学与再生元制药公司（Regeneron Pharmaceuticals）合作，研究、开发和商业化针对多种组织和细胞类型的基于CRISPR的基因编辑疗法。这一合作利用了巨兽的超紧凑CRISPR系统，并结合了再生元的靶向递送技术。AI也在优化引导RNA和减少脱靶效应方面发挥作用，提高了体内基因编辑治疗的精确性和有效性。
普罗流特（Profluent）
总部位于加利福尼亚州的初创公司普罗流特（Profluent）使用大型语言模型（LLMs）——即支持像ChatGPT这样的工具的AI技术——设计完全不存在于自然界中的新型CRISPR蛋白。
LLMs接受大量蛋白质数据集的训练，学习天然蛋白质的模式和结构。普罗流特利用这些AI模型生成具有特定特征的蛋白质，这些特征经过优化以适应基因编辑，例如更高的准确性、稳定性和更小的尺寸。
天然存在的CRISPR系统，如Cas9，在细菌中进化以对抗病毒——而不是为了人类基因编辑。尽管它们表现得非常出色，但在精确性、效率和递送方面存在局限性。普罗流特设计的AI蛋白可以克服这些局限性，提供专为治疗和研究应用设计的工具。
为了促进创新，普罗流特推出了其OpenCRISPR倡议，通过开放源代码许可提供这些AI设计的蛋白。这使尖端CRISPR工具的访问更加民主化，促进了全球在基因编辑领域的合作。
贝姆治疗（Beam Therapeutics）
贝姆治疗（Beam Therapeutics）专注于一种称为碱基编辑的特殊形式的CRISPR技术，该技术允许在不引起双链断裂的情况下对单个DNA字母进行精确修改。
碱基编辑要求极高的精确性以避免意外编辑。AI有助于设计最优的引导RNA，精确地靶向基因组中的特定位置，同时最大限度地减少脱靶效应。AI还预测编辑的结果，确保在治疗应用中的准确性。
碱基编辑特别适合治疗由单字母突变引起的疾病，如镰状细胞病。AI提高了这些疗法的安全性和效率，使其更接近临床现实。
前景展望：CRISPR和AI的未来
杜德纳告诉《连线》杂志，她预计到2025年，AI和机器学习将显著增强CRISPR基因编辑在医学、农业和气候变化方面的影响。CRISPR是一个了不起的工具，最明显的应用是在治疗药物的开发中。然而，CRISPR的未来更为广泛——基因编辑在应对气候变化方面也将发挥重要作用。通过编辑植物和作物，可以使农业更具抵御气候变化的能力。
在我们之前提到的采访中，杜德纳举了一个例子，即使用CRISPR制造无甲烷牛，据她所说，这在科学上是完全可行的。这已经是我们通过精确修改牛的饮食来实现的目标，但基因编辑可以直接修改牛的微生物组以达到这一目标。未来的技术将在跨行业应用中融合。
在关于其诺贝尔奖的《金融时报》采访中，谷歌DeepMind的首席执行官德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）强调，像AlphaFold这样预测蛋白质结构的AI工具正在彻底改变药物发现和材料设计，有可能导致各种疾病的治愈和能源解决方案的进步。
CRISPR使杜德纳在2020年获得了诺贝尔奖——四年后的今天，AI工具AlphaFold脱颖而出。这两种技术的结合在医疗保健及其他领域展现出巨大的前景。
Casgevy花了11年才获得批准，但专家们认为，AI将使我们在未来更快地发现和推进更多候选药物。
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