Setiap sel dalam tubuh manusia memiliki urutan genetik yang sama, tetapi masing-masing hanya mengekspresikan gen tertentu, membedakan sel otak dari sel kulit. Pola ekspresi gen unik ini dipengaruhi oleh pengaturan tiga dimensi dari materi genetik, yang menentukan aksesibilitas gen. Peneliti di MIT telah mengembangkan metode baru untuk menganalisis struktur genom 3D ini menggunakan kecerdasan buatan generatif, yang memungkinkan mereka untuk memprediksi ribuan struktur dalam hitungan menit. Kemajuan ini secara signifikan mempercepat proses dibandingkan dengan teknik eksperimen tradisional. Penulis utama studi ini, profesor asosiasi Bin Zhang, bertujuan untuk menghubungkan urutan DNA dengan struktur genom 3D yang sesuai. Teknik baru ini bersaing dengan metode eksperimental mutakhir, menawarkan peluang penelitian yang menjanjikan. Di dalam nukleus sel, DNA dan protein membentuk kromatin dalam berbagai tingkat organisasi, mengompresi 2 meter DNA ke dalam nukleus yang hanya selebar satu ratus milimeter. Modifikasi epigenetik yang melekat pada DNA memengaruhi pelipatan kromatin, menentukan gen mana yang diekspresikan dalam berbagai jenis sel atau pada waktu yang berbeda. Sementara metode seperti Hi-C telah dikembangkan selama dua dekade terakhir untuk menentukan struktur kromatin, metode tersebut membutuhkan waktu dan usaha yang sangat besar, seringkali memakan waktu sekitar seminggu untuk data dari satu sel.

Untuk mengatasi hal ini, Zhang dan timnya menciptakan model yang memanfaatkan pembelajaran dalam dan AI generatif, memungkinkan prediksi struktur kromatin yang cepat dan tepat dari urutan DNA. Model mereka, ChromoGen, terdiri dari model pembelajaran dalam yang menganalisis informasi DNA dan model AI generatif yang dilatih pada lebih dari 11 juta konformasi kromatin. Sistem terintegrasi ini menangkap hubungan antara urutan DNA dan struktur kromatin, menghasilkan banyak struktur yang mungkin untuk setiap urutan karena ketidakaturan yang melekat pada DNA. ChromoGen memungkinkan prediksi cepat—di mana metode yang ada mungkin membutuhkan waktu enam bulan untuk mencapai beberapa puluh struktur, model ini dapat menghasilkan seribu struktur dalam waktu sekitar 20 menit. Setelah pelatihan, para peneliti menggunakan model untuk memprediksi struktur untuk lebih dari 2. 000 urutan DNA, mengonfirmasi bahwa struktur yang dihasilkan sangat cocok dengan data eksperimental. Selain itu, model ini menunjukkan akurasi dengan data dari jenis sel di luar set pelatihannya, menunjukkan potensi aplikasi untuk menganalisis variasi struktur kromatin di berbagai jenis sel dan di dalam sel individu. Kemampuan ini juga dapat memfasilitasi penelitian tentang bagaimana mutasi DNA dapat mengubah konformasi kromatin, berpotensi menghubungkannya dengan mekanisme penyakit. Tim ini telah membuat data penelitian dan model mereka tersedia untuk publik agar dapat dieksplorasi lebih lanjut. Penelitian ini didanai oleh National Institutes of Health.