22 يناير 2024 "طبيعة"مطلق سراحهسبع تقنيات يجب مراقبتها في عام 2024—— إدخال جزء كبير من الحمض النووي، والبروتين المصمم بالذكاء الاصطناعي، وواجهة الدماغ والحاسوب، وخريطة الخلية، والتصوير المجهري عالي الدقة، والمواد النانوية للطباعة ثلاثية الأبعاد، واكتشاف DeepFake. ومقارنة بالسنوات السابقة، فإن التغيير الأكبر هذا العام هو ذلكمنظمة العفو الدوليةإن التقدم في مجال الذكاء الاصطناعي (AI) هو في صميم العديد من الابتكارات التكنولوجية المثيرة.
ومن الجدير بالذكر ذلكجاو كايكسياأداة جديدة للإدخال الدقيق لأجزاء كبيرة من الحمض النووي في موقع محدد، طورها الفريقPrimeRootويعد هذا أيضًا أول إنجاز تقني لباحث صيني يتم اختياره منذ الاختيار الأول في عام 2018.
إدخال جزء كبير من الحمض النووي
وفي ديسمبر 2023، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على أول دواء يعتمد علىكريسبر-كاس9تم إطلاق علاج تحرير الجينات لعلاج مرض الخلايا المنجلية، وقبل بضعة أيام، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية أيضًا على العلاج لعلاج الثلاسيميا بيتا المعتمدة على نقل الدم. ويعد هذا انتصارًا كبيرًا لتحرير الجينات في التطبيقات السريرية.
تستخدم تقنية كريسبر-كاس9 وتقنيات تحرير الجينات المرتبطة بها إنزيمات نووية مثل Cas9 لقطع خيوط الحمض النووي المزدوجة لحذف الجينات أو إدخال تغييرات صغيرة في التسلسل. ومع ذلك، فمن الصعب تحقيق الإدراج الدقيق القابل للبرمجة لأجزاء كبيرة من تسلسل الحمض النووي. تسمح بعض نتائج الأبحاث الحديثة للعلماء باستبدال أو إدخال أجزاء كبيرة من الحمض النووي.
أبريل 2023، معهد علم الوراثة والبيولوجيا التنموية، الأكاديمية الصينية للعلومجاو كايكسياالفريق هوالطبيعة والتكنولوجيا الحيويةنشرت المجلة ورقة بحثية بعنوان: التكامل الدقيق لتسلسلات الحمض النووي الكبيرة في جينومات النباتات باستخدام محررات Prime Root.
تجمع الدراسة بين ما تم تطويره سابقًا من قبل الفريقمعدات الحماية الشخصية(EngineeredPlantPrimeEditor) معليو روقيانتم تطويره من قبل الفريقepegRNA(EngineeredpegRNA) يجمع لتأسيس أثنائي ePPEيحقق النظام إدخالًا دقيقًا خاصًا بالموقع لأجزاء قصيرة من الحمض النووي بأقصى كفاءة تزيد عن 50%. ثم تم دمج ePPE المزدوج مع recombinase Cre الخاص بعائلة التيروزين والذي تم فحصه لتطوير إنزيم يمكنه تحقيق إدخال دقيق لأجزاء كبيرة من الحمض النووي.PrimeRootنظام. يمكن لهذا النظام تحقيق إدخال دقيق لموقع محدد لأجزاء كبيرة من الحمض النووي في خطوة واحدة في الأرز والذرة، بكفاءة تصل إلى 6%، ويمكن أن يصل طول الأجزاء المدخلة بنجاح إلى ما يصل إلى11.1 كيلو بايت، والإدراج دقيق تمامًا ويمكن التنبؤ به، مما له مزايا كبيرة في كفاءة التحرير ودقته.
جاو كايكسياالباحث، مصدر الصورة: ستيفن تشاو
جاو كايكسياوذكر الباحث،PrimeRootويمكن استخدام قدرة النظام على إدخال أجزاء كبيرة من الحمض النووي بكفاءة ودقة على نطاق واسع لمنح مقاومة للأمراض ومسببات الأمراض في المحاصيل من خلال التدخل الجيني، وبالتالي الاستمرار في تعزيز الموجة المبتكرة لهندسة الجينوم النباتي القائمة على تقنية كريسبر. ويعتقد أن هذه التكنولوجيا الجديدة يمكن تطبيقها على أي نوع من النباتات.
في نوفمبر 2022، معهد ماساتشوستس للتكنولوجياعمر عبودية,جوناثان جوتنبرجالفريق هوالتكنولوجيا الحيوية الطبيعيةنشرت المجلة ورقة بحثية بعنوان: إدخال الجينوم بالسحب والإسقاط لتسلسلات كبيرة دون انقسام الحمض النووي المزدوج باستخدام تكاملات موجهة بتقنية كريسبر.
سيستخدم البحث مشتقًا من العاثياتالتكامل سيرينونيكاز Cas9(يقطع شريطًا واحدًا فقط من الحمض النووي دون التسبب في كسر الحمض النووي المزدوج)، وهي طريقة تسمىلصقتكنولوجيا جديدة لتحرير الجينات. يقطع PASTE مواقع جينية محددة بتوجيه من gRNA. في هذا الوقت، يدمج إنزيم النسخ العكسي المنصهر بالنيكاس Cas9 تسلسل موقع المرفق الذي يتطلبه الإنزيم المدمج في موقع الانقسام. بهذه الطريقة، يمكن إدراج موقع الارتباط الذي يتطلبه الإنزيم التكاملي في أي موضع في الجينوم، وهذا الإدخال لا يسبب انقطاعًا مزدوجًا للحمض النووي. في هذا الوقت، يمكن للإنزيم التكاملي الارتباط بموقع الارتباط وإدراج أجزاء كبيرة من تسلسل الحمض النووي. يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحل محل الجينات المتحورة بطريقة أكثر أمانًا وفعالية، ويمكنها أيضًا إدخال أجزاء طويلة جدًا من الحمض النووي تصل إلى 36 كيلو بايت في خلايا الثدييات والبشر في المواقع المستهدفة.
فبراير 2022، جامعة ستانفوردكونغ لوالفريق هوNatureCellBiologyنشرت المجلة ورقة بحثية بعنوان: تحرير الجينات القائم على dCas9 من أجل انقسام الجينوم الخالي من الضربات الجينية في التسلسلات الطويلة.
يجمع البحث بين إنزيمات دقيقة لإعادة تركيب الحمض النووي من العاثيات.بروتين التلدين ذو سلسلة واحدة(SSAP)، مع فقدان نشاط انقسام الحمض النوويdCas9ومن خلال الجمع بين الأنظمة، تم تطوير أداة جديدة لتحرير الجينات ——dCas9-SSAP، يمكنه تحقيق إدخال فعال ودقيق خاص بالموقع لأجزاء كبيرة من الحمض النووي تصل إلى 2 كيلو بايت دون التسبب في انقطاع الحمض النووي المزدوج.
كونغ لوويعتقد أنه بالنسبة لتحرير الجينات في الجسم الحي،لصقكبير الحجم، ويتطلب ثلاثة نواقل فيروسية منفصلة لـ AAV للتسليم، وبالتالي قد لا يكون بنفس كفاءة التحرير مثل الأحجام الأصغرdCas9-SSAP.
التعلم العميق لتصميم البروتين
قبل 20 عاما، جامعة واشنطنديفيد بيكرفي انتظار شخص ماعلومنشرت المجلة بحثًا [2] وحققت إنجازًا بارزًا: فقد استخدموا أدوات حسابية لتصميم بروتين جديد من الصفر - Top7، والذي يتكون من 93 بقايا من الأحماض الأمينية. يمكن طيه كما هو متوقع وهو مستقر للغاية، لكنه ليس لديه أي وظيفة بيولوجية ذات معنى.
ديفيد بيكرأستاذ
والآن، فيديفيد بيكرومن خلال جهود الآخرين، أصبح تصميم بروتين دي نوفو أداة راسخة لتوليد إنزيمات مخصصة وغيرها من الأدوية القائمة على البروتين، واللقاحات، ووسائل توصيل الأدوية. ويرجع جزء كبير من هذا التقدم إلى العدد المتزايد من قواعد البيانات التي تربط تسلسلات البروتين ببنيتها، ولكن التقدم التكنولوجي في الذكاء الاصطناعي لا يقل أهمية.
على سبيل المثال، في فبراير 2023،ديفيد بيكرالفريق هوطبيعةنشرت المجلة ورقة بحثية قاموا فيها بتصميم لوسيفيراز صناعي من الصفر. وهذه أيضًا هي المرة الأولى في المجتمع العلمي التي يتم فيها استخدام الذكاء الاصطناعي القائم على التعلم العميق لإنشاء إنزيم غير موجود في الطبيعة. أبريل 2023،ديفيد بيكرالفريق هوعلومونشرت المجلة ورقة بحثية تستخدم الذكاء الاصطناعي القائم على التعلم المعزز لتصميم جزيئات بروتينية نانوية جديدة ووظيفية من الصفر، مما يفتح طريقا جديدا لتطوير اللقاحات ووسائل توصيل الأدوية. ديسمبر 2023,ديفيد بيكرالفريق هوطبيعةونشرت المجلة ورقة بحثية تستخدم الذكاء الاصطناعي القائم على التعلم العميق لتصميم بروتين جديد ذو درجة عالية من الألفة والخصوصية من الصفر، مما يفتح أفكارا جديدة لتصميم الأجسام المضادة وتشخيص الأمراض.
واجهة الكمبيوتر الدماغ
2012,بات بينيتتم تشخيصه بـالتصلب الجانبي الضموري(ALS)، وحالتها مميزة نسبياً. بدأ جذع دماغها في التدهور في وقت سابق. عندما كانت لا تزال قادرة على المشي والكتابة، لم تعد قادرة على استخدام حركات عضلات شفتيها ولسانها وحلقها وفكها لإصدار الأصوات بوضوح. يمكن أن يحاول دماغها إصدار الأصوات، لكن العضلات لم تعد قادرة على تنفيذ هذا الأمر، وبالتالي تفقد القدرة على الكلام.
وفي مارس 2022، التحقت بجامعة ستانفوردفرانسيس ويليتفي تجربة سريرية لواجهة الدماغ والحاسوب بقيادة البروفيسور، قام فريق البحث بزرع أربع مصفوفات أقطاب كهربائية رفيعة للغاية (كل مصفوفة تحتوي على 8 × 8 أقطاب كهربائية) على سطح القشرة الدماغية لجمع النشاط العصبي للخلايا الفردية. تم توصيل المصفوفات المزروعة بأسلاك ذهبية وتوصيلها بالكمبيوتر عبر الكابلات، وتم تدريب الذكاء الاصطناعي (AI) على فك تشفير الأصوات التي كانت تحاول إجراؤها.
بات بينيتاختبار
أغسطس 2023,فرانسيس ويليتنشر الفريق هذا البحث تحت عنوان: Ahigh-performancespeechneuroprosthesis.طبيعةمجلة.
وتبين الورقة ذلك عن طريق الزرعواجهة الدماغ والحاسوب داخل القشرة(iBCI)، ومن خلال تدريب برامج الذكاء الاصطناعي (AI)، يمكنالتصلب الجانبي الضموريمرضى (ALS).بات بينيتيتم تحويل النشاط العصبي في الدماغ إلى نص في الوقت الفعلي، بسرعة تحويل تصل إلى 62 كلمة في الدقيقة وإجمالي مفردات يصل إلى 125000. بالمقارنة مع واجهات الدماغ والحاسوب الموجودة، فهي أسرع وأكثر دقة ولها تغطية أكبر للمفردات. توضح هذه الدراسة طريقًا محتملًا لاستعادة القدرة على التواصل لدى الأشخاص المصابين بالشلل مثل التصلب الجانبي الضموري.
طبيعةكما نشرت في نفس الوقت دراسة من جامعة كاليفورنيا، سان فرانسيسكو.تشانغ فولونورقة بحثية لفريق (إدوارد تشانغ) بعنوان: بدلة عصبية عالية الأداء لفك تشفير الكلام والتحكم في الصورة الرمزية.
طورت هذه الدراسة طريقة جديدةواجهة الكمبيوتر الدماغ(بي سي آي)، مجتمعةمنظمة العفو الدوليةيمكن لتقنية (AI) تحويل إشارات الدماغ للمرضى المصابين بالشلل الشديد بسبب سكتة دماغية في وقت واحد إلى ثلاثة أشكال مخرجات ذات أداء عالٍ وفي الوقت الفعلي:كلمة,صوتوالسيطرة على الصورة الرمزيةمما يساعد الأشخاص المصابين بالشلل الشديد على استعادة قدراتهم على التواصل.
يمثل التطوير والتطبيق الناجح لأجهزة الواجهة بين الدماغ والحاسوب تقدمًا كبيرًا في أبحاث علم الأعصاب والهندسة العصبية، وله إمكانات كبيرة لتخفيف معاناة الأشخاص الذين فقدوا أصواتهم بسبب إصابات وأمراض الأعصاب المشلولة.
أطلس الخلية
معهد ويلكوم سانجرسارة تيتشمانوالرئيس الحالي للأبحاث والتطوير المبكر في Genentechأفيفريجيففي عام 2016، واسعة النطاق وطموحةأطلس الخلايا البشريةبرنامج (أطلس الخلايا البشرية، HCA). يضم البرنامج ما يقرب من 3000 عالم من حوالي 100 دولة، ويعد HCA نفسه جزءًا من نظام بيئي متقاطع أوسع للخرائط الخلوية والجزيئية، بما في ذلك مشروع الخريطة الجزيئية الحيوية البشرية (HuBMAP) ومشروع الدماغ (BICCN).
خلال العام الماضي، أظهرت العشرات من الدراسات التقدم في استخدام هذه التقنيات لإنشاء خرائط خاصة بالأعضاء. 2023,طبيعةنشر مجموعة من الأوراق البحثية (go.nature.com/3vbznk7) تركز على التقدم الذي أحرزه HuBMAP،علومتم إصدار مجموعة من الأوراق التي توضح بالتفصيل عمل BICCN (go.nature.com/3nsf4ys).
يصف الأطلس الخلوي للرئة البشرية أنواع الخلايا المختلفة وكيفية تنظيمها
سارة تيتشمانلا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به، وتشير التقديرات إلى أن استكمال خطة HCA سيستغرق خمس سنوات على الأقل. ولكن عندما يكتمل المشروع، فإن الأطلس الناتج عن الخلايا البشرية سيكون لا يقدر بثمن. على سبيل المثال، يمكن استخدام بيانات أطلس الخلايا لتوجيه تطوير الأدوية الخاصة بالأنسجة والخلايا وللمساعدة في فهم مخاطر وأسباب الأمراض المعقدة مثل السرطان.
الفحص المجهري فائق الدقة
ستيفانهيل,إريك بيتزيجووليام مورنرحصل على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2014 لكسره "حد الحيود" الذي يحد من الدقة المكانية للمجهر الضوئي، والذي يسمح لنا بإجراء تجارب تصوير على المستوى الجزيئي بدقة تصل إلى عشرات النانومترات. ومع ذلك، فإن العلماء حريصون على تحقيق نتائج أفضل، وهم يحرزون تقدمًا سريعًا في محاولة لسد الفجوة بين الفحص المجهري فائق الدقة وتقنيات البيولوجيا الهيكلية.
ستيفانهيلطور الفريق طريقة تسمى MINSTED في عام 2022، والتي تستخدم مجهرًا ضوئيًا متخصصًا لحل علامات الفلورسنت الفردية بدقة 2.3 أنجستروم.
معهد ماكس بلانك للكيمياء الحيويةرالف جونجمانطور الفريق طريقة محسنة للتصوير التسلسلي (RESI) في عام 2023 يمكنها تحليل أزواج القواعد الفردية في سلسلة الحمض النووي، وتحقيق دقة على مستوى أنجستروم باستخدام المجهر الفلوري القياسي.
يمكن لطريقة RESI تصوير أزواج القواعد الفردية في الحمض النووي
عالم أعصاب، المركز الطبي الجامعي في غوتنغنعلي شعيبوسيلفيو ريزوليإن طريقة الفحص المجهري للتوسع النانوي بخطوة واحدة (ONE) التي طورها الفريق بقيادة الفريق، على الرغم من أنها لم تصل تمامًا إلى مستوى دقة مستوى الأنجستروم المذكور أعلاه، إلا أن الفحص المجهري ONE يوفر فرصة غير مسبوقة لتصوير التفاصيل الهيكلية الدقيقة للبروتينات الفردية ومجمعات البروتين المتعددة بشكل مباشر، سواء في عزلة أو في الخلايا.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النانوية
تحدث الكثير من الأشياء الغريبة والمثيرة للاهتمام على مقياس النانو، مما قد يجعل علم المواد غير قابل للتنبؤ به، ولكنه يعني أيضًا أنه يمكننا صنع مواد خفيفة الوزن على مقياس النانو بخصائص فريدة، مثل قوة أكبر، وتفاعلات مخصصة مع الضوء أو الصوت، وقدرات معززة على الحفز وتخزين الطاقة. توجد العديد من الاستراتيجيات للتصنيع الدقيق لمثل هذه المواد النانوية، ومعظمها يستخدم "البلمرة الضوئية" المنقوشة بالليزر للمواد الحساسة للضوء، وعلى مدى السنوات القليلة الماضية أحرز العلماء تقدمًا كبيرًا في التغلب على القيود المفروضة على هذه الأساليب.
ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النانوية. الأول هو السرعة. إن سرعة تجميع الهياكل النانوية باستخدام تقنية البلمرة الضوئية هي أسرع بحوالي ثلاثة أوامر من طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية الأخرى. قد تكون هذه السرعة كافية للاستخدام المختبري، ولكنها لا تزال بطيئة جدًا بالنسبة للإنتاج على نطاق واسع أو العمليات الصناعية. التحدي الثاني هو أنه لا يمكن طباعة جميع المواد مباشرة عن طريق البلمرة الضوئية، مثل المعادن. لكن معهد كاليفورنيا للتكنولوجياجوليا جريرتم تطوير نهج بديل يستخدم الهلاميات المائية المبلمرة ضوئيًا كقوالب مجهرية، والتي يتم بعد ذلك غمرها بأملاح معدنية ومعالجتها بحيث يأخذ المعدن بنية القالب أثناء الانكماش. وأخيرا، هناك تكلفة. قد يكون هذا هو التحدي الأصعب للتغلب عليه. تكلف أنظمة الليزر النبضي المستخدمة في العديد من طرق البلمرة الضوئية أكثر من 500 ألف دولار، ولكن البدائل الأرخص آخذة في الظهور.
الهياكل المعدنية المجهرية التي تم إنشاؤها باستخدام الهلاميات المائية
كشف التزييف العميق
متاحة للجمهورخوارزميات الذكاء الاصطناعي التوليديةالنمو الهائل لـ ، مما يجعل من السهل إنشاء صور ومقاطع صوتية وفيديو مقنعة ولكن مصطنعة تمامًا. عالم كمبيوتر في جامعة ولاية نيويورك في بوفالولو سيويوقال البروفيسور إنه شاهد العديد من الصور والتسجيلات الصوتية "المزيفة العميقة" التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعي والمتعلقة بالنزاعات العسكرية. يستخدم المستخدمون الذكاء الاصطناعي لإنشاء محتوى خادع، ويعمل لو سيوي وغيره من خبراء الطب الشرعي الإعلامي على اكتشافه وحظره.
أحد الحلول لمطوري الذكاء الاصطناعي هو تضمين إشارات مخفية في مخرجات نموذج الذكاء الاصطناعي، مما ينتج عنه علامة مائية للمحتوى الذي تم إنشاؤه بواسطة الذكاء الاصطناعي. وتركز الاستراتيجيات الأخرى على المحتوى نفسه. على سبيل المثال، تقوم بعض مقاطع الفيديو المزيفة باستبدال ملامح وجه شخص ما بملامح شخص آخر. يمكن للخوارزميات الجديدة تحديد آثار التزوير عند حدود الميزات المستبدلة. قام فريق Lu Siwei بتطوير خوارزمية - DeepFake-O-Meter، والتي يمكنها تحليل محتوى الفيديو من زوايا مختلفة لتحديد المحتوى "Deepfake". أدوات التعريف هذه مفيدة، ولكن من المتوقع أن تستمر معركتنا ضد المعلومات والمحتوى الخاطئ الذي ينتجه الذكاء الاصطناعي لسنوات عديدة.