Forscher erwecken biologische KI in Zellen: So entstehen Bausteine für Medikamente der Zukunft

Eine Zelle, winzig und doch entscheidend für unser aller Dasein. In Zukunft greifen wir vielleicht gezielt in sie ein, um die schlimmsten Geißeln an Krankheiten zu besiegen. (Bildquelle: BillionPhotos.com über Adobe Stock)

Zellen definieren uns als Menschen und bilden die Grundlage unseres Daseins. Über Milliarden Jahre entwickelten sie und wir uns zu dem, was wir heute sind. Doch was, wenn wir die Evolution selbst steuern könnten – und das mit Vollgas? Forscher haben ein Werkzeug dafür entwickelt.

Eine Art biologische KI designt direkt in Zellen von Säugetieren lebensrettendes: Proteine, Gentherapien oder in Zukunft auch möglicherweise optimierte Impfstoffe auf Basis von mRNA, wie sie während der Corona-Pandemie zum Einsatz kamen.

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Werkzeug für wirksamere Medizin

Forscher der Universität von Sidney nehmen die Evolution in eigene Hand. Mit Proteus (PROTein Evolution Using Selection) nutzen sie das Grundprinzip der Natur schlechthin, zur Optimierung von Leben, um in Zukunft Forschung für Medikamente zu betreiben. Auf Deutsch bedeutet der Titel nämlich nichts Anderes als Protein-Entwicklung unter Ausnutzung von Auslese.

Ihre Erkenntnisse veröffentlichen sie bei Nature Communications, einem der angesehensten Wissenschaftsmagazine überhaupt. Es gilt als eine der Medien für Nobelpreisträger oder jene, die es werden könnten.

Proteus ist nicht im engeren eine KI. Sie basiert also nicht auf maschinellem Lernen. Doch sie setzt auf einen ähnlichen Ansatz, wie wir ihn beim Training von Modellen wie ChatGPT oder Grok nutzen: Massenhaftes austesten und modifizieren anhand von Beobachtungen. Millionen von Mutationen werden nacheinander vorgenommen und ihre Wirkung beobachtet.

Menschliche Forscher würden selbst mithilfe von Computer Jahre brauchen, um zu ähnlichen Lösungen zu kommen – wenn es überhaupt gelänge. Denn Proteus bleibt nicht ausschließlich dabei, bekannte Mutationen zu testen, sondern nimmt auch vollkommen neue Abzweigungen, die wir bisher so noch nie beobachtet oder aktiv probiert haben. Es denkt dabei aber nicht aktiv, sondern lässt den Zufall entscheiden, um im Anschluss auf das ihm gegebene Ziel zu testen.

Es wurden in Versuchsreihen bereits beachtliche Ergebnisse erzielt:

• Sie konnten ein Protein so weit optimieren, dass es eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen ein typisches Breitbandantibiotikum entwickelte. Veränderungen in Proteinen zu verstehen, ist elementar für die Medikamentenforschung.
• Ein Antikörperfragment wurde durch Proteus innerhalb von 35 Runden an Evolution so weit angepasst, dass er ein frühes Signal für Krebs im Zellkern erkannte.

Die grundlegende Idee, die den Anstoß für Proteus gab, geht zurück auf Frances H. Arnold, die für ihre Arbeit zur zielgerichteten Evolution von Enzymen den Nobelpreis in Chemie des Jahres 2018 verliehen bekam.

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Viel erreicht, noch mehr zu tun

Proteus hat ältere Ansätze, die deutlich einfachere Zellen von Bakterien oder Pilzen nutzten, bereits hinter sich gelassen. Doch derzeit basieren die meisten Versuchsreihen auf bestimmten Zellen der Nieren von Hamstern. Wobei der Sprung aber bereits als beachtlich einzustufen ist, denn Zellen von Säugetieren sind um ein Vielfaches komplexer aufgebaut und diverser als beispielsweise die von Hefe (Pilzen).

In Zukunft wollen die Forscher Proteus auch irgendwann bei einer bestimmten Art Trockennasenaffen, nämlich uns, einsetzen. Deshalb möchte das Team ihr Zellen-Handwerkszeug auch anderen zur Verfügung stellen. Die Nutzung der Technik steht allen frei, sie ist Open Source.

So wollen die Wissenschaftler eine möglichst große Zahl Forscher dazu anregen, mitzuwirken. Denn Proteus kann wahrscheinlich in noch weit mehr Feldern, als derzeit erprobt, nützliches oder gar fantastisches leisten.