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人工智能首次设计出能够精确调控健康细胞基因活动的合成 DNA 序列，这一突破性进展为基因治疗和精准医学开辟了新途径。
这项发表在《细胞》杂志上的研究，由巴塞罗那基因组调控中心（CRG）的科学家团队完成。他们开发了一种创新的 AI 工具，能够设计出自然界中从未存在过的 DNA 调控序列。该模型可以根据特定需求创建定制化的 DNA 片段，例如：’ 在将转化为红细胞的干细胞中激活特定基因，但在血小板中保持沉默 ’。
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研究人员通过机器学习模型预测特定细胞类型所需的基因表达模式，然后化学合成约 250 个碱基长度的 DNA 片段，并将其整合到病毒载体中递送至细胞内。作为概念验证，研究团队要求 AI 设计合成片段来激活编码荧光蛋白的基因，同时维持特定的基因表达模式。这些从头设计的序列被成功插入小鼠血细胞中，实验结果与预测完全吻合。
‘ 这就像为生物学编写软件，’ 该研究的第一作者 Robert Frömel 博士表示，’ 它为我们提供了前所未有的精确性来指导细胞的发育和行为。’ 这一技术突破可能为基因治疗开发者提供新的工具，使其能够在特定细胞或组织中精确调控基因活性，从而提高治疗效果并减少副作用。
这项研究标志着生成生物学领域的重要里程碑。与以往主要聚焦于蛋白质设计不同，该技术直接针对基因表达调控这一关键环节。基因表达由增强子等调控元件控制，这些微小的 DNA 片段能够开启或关闭基因。AI 生成的增强子可以帮助设计出自然界中尚未存在的超选择性开关，在特定细胞类型中实现精确的基因调控。
然而，开发这样的 AI 模型需要大量高质量数据。研究团队通过数千次血液形成实验室模型的实验，创建了庞大的生物数据集。他们重点研究了增强子和转录因子——这些蛋白质也参与控制基因表达。与以往使用癌细胞系不同，研究人员选择了更贴近人类生物学的健康细胞进行研究。
在长达五年的研究中，团队合成了超过 64,000 个合成增强子，每个都经过精心设计以测试 38 种不同转录因子的排列组合和结合位点强度。这是迄今为止在血细胞中构建的最大合成增强子库。研究团队跟踪了每个合成增强子在血细胞发育七个阶段中的活性变化，发现许多增强子在不同细胞类型中表现出相反的调控效果。
实验数据为机器学习模型的设计原则提供了关键支持。一旦模型积累了足够多的真实细胞数据，它就能够预测产生特定基因调控效果的新设计，即使这些增强子在自然界中从未存在过。
这项研究仅为该技术的初步验证，研究人员表示他们才刚刚触及表面。人类和小鼠基因组中估计有 1,600 个转录因子参与基因调控，未来还有广阔的研究空间。这一突破性技术有望为基因治疗、再生医学和精准医疗带来革命性的变革。
