L’intelligenza artificiale crea un DNA sintetico capace di controllare i geni con precisione senza effetti collaterali
Un team di ricercatori spagnoli ha sviluppato per la prima volta un DNA artificiale progettato con l’aiuto dell’intelligenza artificiale (IA) in grado di attivare o disattivare specifici geni senza alterare le funzioni delle altre cellule dell’organismo. Questo risultato pionieristico, pubblicato sulla rivista Cell, rappresenta un passo fondamentale nella biologia sintetica e apre nuove strade alla medicina personalizzata e alle terapie geniche di precisione.
Un linguaggio genetico creato da zero per comunicare con le cellule
Il cuore della scoperta è la creazione di un “linguaggio genetico” sintetico, strutturato su più di 64.000 sequenze di DNA artificiali, capaci di regolare l’attività genica in modo mirato. I ricercatori del Centre for Genomic Regulation (CRG) di Barcellona, guidati da Lars Velten, hanno utilizzato cellule staminali sane del sangue di topo per evitare le distorsioni generate da modelli tumorali, più facili da manipolare ma meno rappresentativi della biologia umana.
Il ruolo chiave degli enhancers: gli interruttori del genoma
Il meccanismo alla base di questo risultato è l’uso degli enhancers, frammenti di DNA che agiscono come veri e propri interruttori genetici. Questi elementi regolatori decidono quando e dove un gene si attiva, fattore cruciale per il corretto funzionamento delle cellule. In precedenza, l’effetto domino generato dalla modifica di un gene spesso comportava l’attivazione involontaria di altri geni, provocando effetti collaterali indesiderati.
Una libreria di sequenze per addestrare l’intelligenza artificiale
Per superare questo ostacolo, il team ha sintetizzato da zero oltre 64.000 frammenti di DNA e li ha inseriti nelle cellule utilizzando la tecnica lentiMPRA, che consente di analizzare simultaneamente l’attività genetica di migliaia di sequenze. Il risultato è stata una gigantesca base dati composta da oltre 445.000 misurazioni di attività genica, utilizzata per addestrare un sofisticato modello di IA predittiva.
Come l’intelligenza artificiale programma l’attivazione genica
L’algoritmo di IA è stato progettato per riconoscere e prevedere quali sequenze di DNA siano in grado di attivare o reprimere un gene a seconda del contesto cellulare. L’analisi ha incluso variabili complesse come l’affinità di legame, la distanza tra siti di legame, l’orientamento delle sequenze e le loro combinazioni funzionali. I ricercatori hanno osservato che l’interazione tra due fattori trascrizionali può generare comportamenti nuovi e inaspettati, definiti sinergie negative.
Un modello predittivo con una precisione del 75%
Dopo aver definito 64 modelli di attivazione genica desiderata, l’IA ha generato sequenze che rispettassero tali schemi. Più del 75% delle sequenze sintetizzate si è comportato esattamente come previsto, dimostrando la capacità del sistema di scrivere istruzioni genetiche con altissima precisione. Questo metodo consente di creare interruttori genetici personalizzati, attivi solo in specifici stati cellulari.
Attivatori che possono anche silenziare i geni
Uno dei risultati più sorprendenti dello studio è stata la scoperta che gli stessi fattori di trascrizione possono comportarsi da attivatori o repressori in base al contesto biologico. In alcune configurazioni, due fattori che da soli attivano un gene, insieme possono invece disattivarlo. Questa plasticità funzionale offre nuove possibilità nella progettazione di sequenze altamente selettive.
Applicazioni nella terapia genica e nella medicina di precisione
La capacità di attivare geni specifici solo in determinate cellule rappresenta un balzo in avanti per la terapia genica di precisione. Oggi, uno dei principali limiti delle terapie attuali è proprio l’impossibilità di mirare esclusivamente alle cellule malate, senza alterare anche le cellule sane. Il DNA sintetico creato dall’IA può aggirare questo limite, aprendo la strada a trattamenti più sicuri e mirati.
Questa tecnologia potrà inoltre rivelarsi utile in malattie genetiche complesse, dove il problema non risiede nella mutazione di un gene ma nella sua regolazione. Patologie come i tumori, le malattie autoimmuni o i disturbi dello sviluppo potrebbero trarre enorme beneficio da approcci in grado di correggere gli errori nel controllo dell’espressione genica.
L’eccellenza della ricerca spagnola in biologia sintetica
Un altro elemento degno di nota è che questo importante traguardo è stato raggiunto da un team interamente spagnolo, operante presso il CRG di Barcellona, in collaborazione con la Universitat Pompeu Fabra e il Barcelona Collaboratorium. La scelta di lavorare con cellule primarie sane invece che su linee tumorali ha permesso di ottenere risultati molto più rappresentativi della realtà fisiologica, evidenziando dettagli cruciali che sarebbero sfuggiti in altri modelli.
Oltre l’editing genetico: verso un codice biologico programmabile
Questo studio rappresenta molto più di una prova di concetto. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile addestrare un’IA per progettare enhancers personalizzati, capaci di reagire in base alla proporzione dei fattori di trascrizione presenti in una cellula. In questo modo, le cellule possono essere programmate con istruzioni genetiche precise, che indicano quando, dove e come un gene deve attivarsi.
Verso una nuova era della biologia computazionale
Il passo compiuto dai ricercatori spagnoli va ben oltre l’editing genetico tradizionale. L’obiettivo non è più solo modificare i geni, ma scrivere un linguaggio genetico artificiale capace di orchestrare con precisione millimetrica il comportamento cellulare. In futuro, questo approccio potrà trasformare completamente la biologia computazionale, rendendo possibile la progettazione di sistemi biologici intelligenti, scritti e compresi come veri e propri codici software.
Fonte: Design principles of cell-state-specific enhancers in hematopoiesis (Cell.com)