AI設計出特定類型細胞“基因開關”

科技日報訊 （記者張夢然）《細胞》雜志5月8日發表了一項新研究：西班牙基因組調控中心團隊利用生成式人工智能（AI），設計出一種合成DNA序列，可作為“基因開關”，控制哺乳動物特定細胞中的基因表達。這一進展堪稱合成生物學領域的一個里程碑。

這項技術可根據特定需求，從零開始“創作”自然界中不存在的DNA片段。團隊訓練AI模型預測合適的DNA字母組合（A、T、C、G），以實現特定細胞類型中的基因表達模式。例如，可以讓干細胞開啟某個基因，從而發育成紅細胞而不是血小板。隨后，研究人員將這些約250個字母長度的DNA片段合成出來，并通過病毒載體導入細胞中。

為驗證其有效性，團隊讓AI設計激活熒光蛋白基因的DNA序列，并將其插入小鼠血細胞基因組的隨機位置。結果顯示，基因表達完全符合預期，證明AI設計的合成增強子功能正常。

在生物醫學領域，許多疾病源于特定細胞中基因表達異常，而傳統方法只能依賴自然界已有的DNA調控元件，如增強子進行干預。但增強子種類有限，難以滿足復雜的治療需求。

借助AI，科學家可以創造出“基因開關”。這些人工增強子能被精確設計成只在特定細胞中起作用的“開/關”模式，從而大幅減少對健康細胞的副作用。這種精準調控對于開發新一代基因療法至關重要。

不過，要訓練這樣的AI模型并不容易，與增強子相關的高質量數據一直匱乏。為此，團隊在過去5年中開展了超過64000次實驗，構建了迄今為止最大的血細胞合成增強子數據庫。他們測試了38種不同轉錄因子的結合位點排列和強度，并追蹤每種增強子在血細胞發育7個階段中的活性變化。

研究還發現了一些有趣的現象：雖然大多數增強子像“音量旋鈕”一樣調節基因活性，但也有一些組合表現出“負協同效應”——即原本單獨促進基因表達的兩個因子，共同出現時反而抑制了基因活動。這種非線性關系為理解基因調控提供了新視角。

這一成果為未來個性化醫療和精準基因治療打開了新的大門。