AlphaGenome: Google’s nieuwe AI-tool voor het ontcijferen en voorspellen van DNA-veranderingen – Hoe werkt het?

AlphaGenome: Google’s nieuwe AI-tool die DNA-veranderingen kan ontcijferen en voorspellen. Hoe werkt het?

De nieuwe AI-tool van Google kan DNA-mutaties ontcijferen en voorspellen, wat nieuwe mogelijkheden opent voor ziekteonderzoek.

Onze DNA is samengesteld uit miljoenen combinaties van genen die het menselijk lichaam creëren. Zelfs de kleinste veranderingen in deze sequenties, of in hoe ze zich gedragen, kunnen de werking van het hele lichaam veranderen en ziektes zoals kanker veroorzaken. AlphaGenome, de nieuwe kunstmatige intelligentie (AI) tool van Google, kan grote stukken DNA lezen en voorspellen hoe verschillende secties zich gedragen en hoe veranderingen kunnen leiden tot ziektes.

Met behulp van deep learning en geïnspireerd door de manier waarop de hersenen informatie verwerken, is het ontworpen om wetenschappers te helpen begrijpen hoe DNA werkt. De nieuwe tool van Google kan helpen ontcijferen hoe DNA genen aanstuurt door te voorspellen wat lange stukken genetische code doen. “We geloven dat AlphaGenome een waardevolle bron kan zijn voor de wetenschappelijke gemeenschap, die wetenschappers helpt om de functie van het genoom, de biologie van ziektes beter te begrijpen en uiteindelijk nieuwe biologische ontdekkingen en de ontwikkeling van nieuwe behandelingen te stimuleren,” aldus Google DeepMind.

Hoe werkt AlphaGenome?

Het model leest tot één miljoen DNA-letters met enkel-letter precisie – iets wat onmogelijk was met eerdere tools. DNA bestaat uit lange ketens gemaakt van vier basis chemische bouwstenen genaamd nucleotiden, elk geïdentificeerd door een letter: A, C, G en T. Het fungeert als een handleiding voor het maken en controleren van elke cel.

Slechts ongeveer twee procent van het menselijke DNA codeert direct voor eiwitten, de bouwstenen die het meeste werk in onze cellen verrichten. De resterende 98 procent werd lange tijd afgedaan als “junk DNA”; echter, ver van nutteloos te zijn, fungeren deze sequenties als controlepanelen die reguleren hoe de andere twee procent werkt. Ze sturen aan wanneer, waar en hoeveel genen aan- of uitgezet worden, reageren op omgevingssignalen en beïnvloeden RNA-splicing, een systeem dat sequenties van letters verbindt en dezelfde genen in staat stelt om verschillende uitslagen te produceren. Veel ziekte-gerelateerde varianten verbergen zich hier, die de genactiviteit beïnvloeden zonder de eiwitten te veranderen. AlphaGenome is het eerste deep learning-model dat in staat is om dit deel van het DNA te targeten en de werking ervan te voorspellen.

Het model kan inschatten hoe kleine genetische veranderingen, genaamd varianten, de genactiviteit kunnen beïnvloeden of normale processen die verband houden met ziektes zoals kanker kunnen verstoren.

Hoe werkt het in de praktijk?

Als een echt voorbeeld richtten de onderzoekers zich op een type acute leukemie, een kanker van de witte bloedcellen, waarbij onrijpe T-cellen, de immuunstrijders, uit de hand lopen. Sommige gevallen van leukemie worden veroorzaakt door kleine veranderingen in het DNA die een eiwit zelf niet veranderen, maar wel de sterkte of het tijdstip veranderen waarop bepaalde genen worden geactiveerd. Het AlphaGenome-model vergeleek de normale DNA-sequentie met de gemuteerde en voorspelde hoe waarschijnlijk het is dat de mutatie de activiteit van nabijgelegen genen verhoogt. Het model is momenteel gratis beschikbaar voor wetenschappers voor niet-commercieel onderzoek; het is een onderzoeksinstrument, niet bedoeld voor klinisch gebruik.

Hoe kan het helpen?

Het onderzoeksteam ziet meerdere toepassingen voor het nieuwe model. In de moleculaire biologie kan het fungeren als een virtueel laboratoriuminstrument, waardoor wetenschappers ideeën kunnen testen door simulatie voordat dure experimenten worden uitgevoerd. In de biotechnologie kan het helpen bij het ontwerpen van genetische therapieën of het verbeteren van moleculen die specifieke weefsels targeten. “DeepMind’s AlphaGenome vertegenwoordigt een belangrijke mijlpaal op het gebied van genomische AI,” zei Robert Goldstone, hoofd genetica bij het Francis Crick Institute. Hij voegde eraan toe dat het niveau van resolutie dat het nieuwe model mogelijk maakt een doorbraak is die de technologie van theoretische interesse naar praktische bruikbaarheid verplaatst, waardoor wetenschappers de genetische wortels van complexe ziektes programmatig kunnen bestuderen en simuleren. “AlphaGenome is geen wondermiddel voor alle biologische vragen, maar het is een fundamenteel, hoogwaardig hulpmiddel dat de statische code van het genoom omzet in een ontcijferbare taal voor ontdekking,” voegde Goldstone toe. Wetenschappers waarschuwen echter dat, net als bij alle AI-modellen, AlphaGenome alleen zo goed is als de data die gebruikt worden om het te trainen. “De meeste bestaande data in de biologie zijn niet erg geschikt voor AI – de datasets zijn te klein en niet goed gestandaardiseerd,” zei Ben Lehner, hoofd generatieve en synthetische genetica bij het Wellcome Sanger Institute in het Verenigd Koninkrijk. Volgens hem is de belangrijkste uitdaging op dit moment hoe de data te genereren om de volgende generatie AI-modellen te trainen.