量身定制人工DNA

　　

在人工智能的帮助下，瑞典查尔默斯理工大学的研究人员成功地设计出了控制细胞蛋白质生产的合成DNA。 该技术可以促进疫苗、治疗严重疾病的药物以及替代食物蛋白质的开发和生产，速度比今天快得多，成本也比今天低得多。   

我们的基因如何表达是所有生物细胞功能的基本过程。简单地说，DNA中的遗传密码被转录到分子信使RNA (mRNA)上，信使RNA告诉细胞工厂生产哪种蛋白质和生产多少。

研究人员在控制基因表达上投入了大量精力，因为基因表达可以促进蛋白质类药物的开发。最近的一个例子是针对Covid-19的mRNA疫苗，它指示人体细胞产生在冠状病毒表面发现的相同蛋白质。然后，人体的免疫系统就能学会形成针对这种病毒的抗体。同样，如果一个人了解特定蛋白质产生背后的遗传密码，就有可能教会身体的免疫系统战胜癌细胞或其他复杂的疾病。

现在的大多数新药都是以蛋白质为基础的，但是生产它们的技术既昂贵又缓慢，因为很难控制DNA的表达方式。去年，Chalmers的一个研究小组在系统生物学副教授Aleksej Zelezniak的带领下，在理解和控制一个特定的DNA序列产生多少蛋白质方面迈出了重要的一步。

“首先，它是关于能够完全‘读取’DNA分子的指令。现在我们已经成功地设计了我们自己的DNA，它包含控制特定蛋白质数量的确切指令，”Aleksej Zelezniak在谈到该研究小组最新的重要突破时说。

DNA分子的定制  

这种新方法背后的原理类似于人工智能生成看起来像真人的面孔。通过学习大量面孔的长相，人工智能可以创造出全新但看起来自然的面孔。这样就可以很容易地修改一张脸，例如，说它应该看起来更老一些，或者换个不同的发型。另一方面，在不使用人工智能的情况下，从零开始编程出一张可信的脸将会更加困难和耗时。同样，研究人员的人工智能也被教授了DNA的结构和调控代码。然后，人工智能设计合成DNA，很容易按照基因表达的预期方向修改其调控信息。简单地说，人工智能被告知需要多少基因，然后“打印”相应的DNA序列。

“DNA是一种非常长和复杂的分子。因此，通过迭代地读取和更改它，然后再读取和更改它，从而对它进行更改，在实验上是极具挑战性的。通过这种方式，需要多年的研究才能找到有效的方法。相反，让人工智能学习DNA导航的原则要有效得多。原本需要数年的工作现在被缩短为几周或几天。”第一作者Jan Zrimec说。Jan Zrimec是斯洛文尼亚国家生物研究所的一名助理研究员，曾在Aleksej Zelezniak的团队担任博士后。

研究人员在酵母酿酒酵母中开发了他们的方法，该酵母的细胞类似于哺乳动物细胞。下一步是使用人类细胞。研究人员希望，他们的进展将对新药物和现有药物的开发产生影响。

“针对复杂疾病的蛋白质类药物或可替代的可持续食物蛋白质可能需要很多年的时间，而且开发成本可能非常昂贵。其中一些非常昂贵，以至于不可能获得投资回报，这使得它们在经济上不可行。有了我们的技术，就有可能更有效地开发和制造蛋白质，从而使它们能够上市。”Aleksej Zelezniak说。

Controlling gene expression with deep generative design of regulatory DNA