Forscher der Stanford Medicine haben ein KI-Tool entwickelt, das Wissenschaftlern hilft, Experimente zur Genomeditierung besser zu planen. Die Technologie namens CRISPR-GPT fungiert als KI-gestützter „Copilot“ für die Genomeditierung und unterstützt Forscher – auch solche, die mit der Genomeditierung nicht vertraut sind – bei der Entwicklung von Designs, der Datenanalyse und der Behebung von Designfehlern.
Das Modell basiert auf einem Werkzeug namens CRISPR, einer leistungsstarken Gen-Editierungstechnologie, die zur Bearbeitung von Genomen und zur Entwicklung von Therapien für genetische Erkrankungen eingesetzt wird. Die Einarbeitung in das Werkzeug zur Versuchsplanung ist jedoch kompliziert und zeitaufwändig – selbst für erfahrene Wissenschaftler. CRISPR-GPT beschleunigt diesen Prozess und automatisiert einen Großteil der Versuchsplanung und -verfeinerung. Ziel sei es, Wissenschaftlern zu helfen, lebensrettende Medikamente schneller herzustellen, so Dr. Le Cong , Assistenzprofessor für Pathologie und Genetik und Leiter der Technologieentwicklung.
CRISPR kann DNA-Abschnitte gezielt bearbeiten und problematische Mutationen entfernen – die konzeptionelle Grundlage vieler Therapien gegen genetische Erkrankungen wie Sichelzellenanämie. Forscher können jedoch Monate des Ratens und Prüfens benötigen, um festzustellen, ob der verdächtige DNA-Abschnitt tatsächlich der Übeltäter ist, den sie entfernen müssen. (CRISPR kann manchmal versehentlich die falsche Gensequenz bearbeiten, was zu unerwünschten genetischen Effekten führt.)
CRISPR-GPT nutzt jahrelang veröffentlichte Daten, um das experimentelle Design zu optimieren und so einen erfolgversprechenden Ansatz zu finden. Darüber hinaus kann es Off-Target-Editierungen und deren Schadenswahrscheinlichkeit vorhersagen, sodass Experten den besten Weg für die weitere Entwicklung wählen können.
Congs Team trainierte sein Modell mit Expertendiskussionen aus elf Jahren, die online aufgezeichnet wurden, aus CRISPR-Experimenten und aus wissenschaftlichen Artikeln. Das Ergebnis? Ein KI-Modell, das wie ein Wissenschaftler „denkt“.
Bei der Verwendung von CRISPR-GPT initiiert der Forscher über ein Text-Chat-Feld eine Konversation mit dem KI-Agenten und gibt dabei experimentelle Ziele, Kontext und relevante Gensequenzen an. Anschließend erstellt CRISPR-GPT einen Plan, der experimentelle Ansätze vorschlägt und Probleme identifiziert, die in ähnlichen Experimenten aufgetreten sind, um dem Forscher – ob Anfänger oder Experte – zu helfen, diese zu vermeiden.
Yilong Zhou, ein Gaststudent der Tsinghua-Universität, nutzte CRISPR-GPT erfolgreich zur Aktivierung von Genen in A375-Melanomkrebszellen im Rahmen seiner Forschung, um besser zu verstehen, warum Krebsimmuntherapien manchmal versagen.
Zhou tippte seine Frage in das Textfeld von CRISPR-GPT: „Ich plane, eine CRISPR-Aktivierung in einer Kultur menschlicher Lungenzellen durchzuführen. Welche Methode sollte ich verwenden?“
CRISPR-GPT reagierte wie ein erfahrener Laborkollege, der einem neuen Forscher Ratschläge gibt. Es entwarf einen Versuchsplan und erläuterte bei jedem Schritt seinen Denkprozess und beschrieb, warum die einzelnen Schritte wichtig waren.
CRISPR-GPT bietet drei Modi: Anfänger, Experte und Q&A. Der Anfängermodus fungiert als Werkzeug und Lehrer und liefert zu jeder Empfehlung eine Antwort und Erklärung. Der Expertenmodus hingegen ist ein gleichberechtigter Partner, der mit fortgeschrittenen Wissenschaftlern zusammenarbeitet, um komplexe Probleme zu lösen, ohne zusätzlichen Kontext bereitzustellen. Jeder Forscher kann die Q&A-Funktion nutzen, um spezifische Fragen direkt zu beantworten.
Es sei auch nützlich für den Wissensaustausch und die Zusammenarbeit mit anderen Laboren, sagte Cong. CRISPR-GPT liefere eine detailliertere und ganzheitlichere Antwort als das, was man normalerweise aus einem wissenschaftlichen Manuskript herauslesen kann, und beantworte wiederholte Anfragen im Handumdrehen.
CRISPR-GPT kann auch die Arbeit von Forschern überprüfen und experimentelle Rahmenbedingungen auf neue Krankheiten anwenden, an die die Forscher möglicherweise nicht denken.
„Die Leute in meinem Labor finden dieses Tool sehr hilfreich“, sagte Cong. „Die Entscheidungen werden letztendlich von menschlichen Wissenschaftlern getroffen, aber es macht den gesamten Prozess – vom Versuchsdesign bis zur Durchführung – super einfach.“
Verantwortungsvolle Bearbeitung und zukünftige Erweiterung
Obwohl die Technologie vielversprechend für die Beschleunigung der therapeutischen Forschung ist, müssen noch einige Sicherheitsbedenken ausgeräumt werden, bevor CRISPR-GPT breiter vorangetrieben wird.
Cong und sein Team haben bereits Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz des KI-Tools vor unverantwortlichem Einsatz getroffen. Wird die KI beispielsweise gebeten, bei einer unethischen Aktivität wie der Bearbeitung eines Virus oder eines menschlichen Embryos zu helfen, warnt CRISPR-GPT den Nutzer und antwortet mit einer Fehlermeldung, wodurch die Interaktion effektiv beendet wird. Cong plant außerdem, die Technologie Regierungsbehörden wie dem National Institute of Standards and Technology zur Verfügung zu stellen, um einen ethischen Einsatz und eine solide Biosicherheit zu gewährleisten.
In Zukunft könnte das Tool als Blaupause für das Training künstlicher Intelligenz dienen, um spezifische biologische Aufgaben außerhalb der Genomeditierung auszuführen. Von der Entwicklung neuer Stammzelllinien als experimentelle Modelle bis hin zur Entschlüsselung molekularer Prozesse bei Herzerkrankungen hofft Cong, die Technologie auf andere Disziplinen auszuweiten und eine Reihe von KI-Agenten zu entwickeln, die die genomische Forschung unterstützen. Zu diesem Zweck haben er und sein Team die Website Agent4Genomics entwickelt , auf der Wissenschaftler eine Reihe verwandter KI-Tools zur Nutzung und Erforschung finden.
