Setiap sel dalam tubuh manusia berkongsi urutan genetik yang sama, tetapi setiap sel hanya mengekspresikan gen tertentu, membezakan sel otak dari sel kulit. Corak ekspresi gen unik ini dipengaruhi oleh susunan tiga dimensi bahan genetik, yang menentukan kebolehcapaian gen. Para penyelidik di MIT telah membangunkan kaedah novel untuk menganalisis struktur genom 3D ini menggunakan kecerdasan buatan generatif, membolehkan mereka meramal ribuan struktur dalam beberapa minit. Kemajuan ini mempercepatkan proses secara signifikan berbanding teknik eksperimen tradisional. Penulis utama kajian, profesor madya Bin Zhang, bertujuan untuk mengaitkan urutan DNA dengan struktur genom 3D yang sepadan. Teknik baru ini bersaing dengan kaedah eksperimen terkini, memberikan peluang penyelidikan yang menjanjikan. Di dalam nukleus sel, DNA dan protein membentuk kromatin dalam pelbagai tahap pengorganisasian, memampatkan 2 meter DNA ke dalam nukleus yang hanya satu per seratus milimeter lebar. Modifikasi epigenetik yang dilekatkan pada DNA mempengaruhi lipatan kromatin, menentukan gen mana yang diekspresikan dalam pelbagai jenis sel atau pada masa yang berbeza. Walaupun kaedah seperti Hi-C telah dibangunkan dalam dua dekad yang lalu untuk menentukan struktur kromatin, ia memerlukan masa dan usaha yang banyak, sering mengambil masa kira-kira seminggu untuk data dari satu sel.

Untuk menangani hal ini, Zhang dan pasukannya mencipta model yang memanfaatkan pembelajaran mendalam dan AI generatif, membolehkan ramalan struktur kromatin dengan cepat dan tepat dari urutan DNA. Model mereka, ChromoGen, terdiri daripada model pembelajaran mendalam yang menganalisis maklumat DNA dan model AI generatif yang dilatih dengan lebih daripada 11 juta konformasi kromatin. Sistem terintegrasi ini menangkap hubungan antara urutan DNA dan struktur kromatin, menghasilkan pelbagai struktur yang mungkin bagi setiap urutan kerana ketidakaturan yang wujud dalam DNA. ChromoGen membolehkan ramalan yang cepat—di mana kaedah sedia ada mungkin mengambil masa enam bulan untuk mencapai beberapa dozen struktur, model ini dapat menghasilkan seribu struktur dalam kira-kira 20 minit. Setelah dilatih, para penyelidik menggunakan model itu untuk meramalkan struktur bagi lebih daripada 2, 000 urutan DNA, mengesahkan bahawa struktur yang dihasilkan sepadan dengan data eksperimen. Lebih lanjut, model ini menunjukkan ketepatan dengan data dari jenis sel di luar set latihannya, menunjukkan potensi aplikasi untuk menganalisis variasi struktur kromatin di seluruh jenis sel dan dalam sel individu. Kemampuan ini juga boleh memudahkan penyelidikan tentang bagaimana mutasi DNA mungkin mengubah konformasi kromatin, berpotensi menghubungkan kepada mekanisme penyakit. Pasukan ini telah membuat data penyelidikan dan model mereka tersedia secara terbuka untuk eksplorasi lanjut. Kajian ini dibiayai oleh Institut Kesihatan Kebangsaan.