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Künstliche Intelligenz:Biologie aus dem Computer

Coronavirus als Modell: Die Hülle besteht aus Proteinen mit verschiedenen Formen und Funktionen.

(Foto: STR/AFP)

Eine Google-KI kann die Struktur von einfachen Proteinen sehr zuverlässig vorhersagen. Das kann bei der Entwicklung von Medikamenten helfen. 

Von Hanno Charisius

Es ist ein etwas irreführendes Bild: Die DNA wird oft als "Bauplan des Lebens" bezeichnet, dabei wäre "Liste von Bauteilen" wohl passender. Denn in der DNA ist zwar die biochemische Information gespeichert, nach der Zellen Proteine herstellen, die für nahezu jeden Lebensprozess notwendig sind. Doch zunächst entsteht nur eine lange Kette aneinandergehängter Aminosäurebausteine. Wie sich diese zu den dreidimensionalen Nanomaschinen falten, die das Leben im Einzeller wie im Grauwal am Laufen halten, ist auch nach Jahrzehnten intensiver Forschung ein gut geschütztes Geheimnis der Natur.

Es ist wie ein dreidimensionales bewegliches Puzzle

Laut einer Pressemitteilung ist jetzt das britische Unternehmen Deep Mind, eine Tochter der Google-Holding Alphabet, dabei, das Rätsel zu lüften. Ein KI-Programm namens Alpha Fold kann mit erstaunlicher Zuverlässigkeit vorhersagen, wie sich eine Aminosäurenkette in einer Zelle zu einem funktionierenden Biomolekül faltet. Das kann man sich wie ein dreidimensionales bewegliches Puzzle vorstellen, in dem Millionen Atome ihren Platz finden müssen. Warum dies geschieht, vermag die KI nicht zu erklären. Doch auch das Wie ist bereits ein Fortschritt, wie Experten erklären.

Mit Alpha Fold haben die Entwickler an einem internationalen Wettbewerb teilgenommen, in dem Computerprogramme darum konkurrieren, die dreidimensionale Struktur der Proteine allein anhand der zweidimensionalen Bausteinfolge vorherzusagen. Das Team des Unternehmens nutzte maschinelles Lernen; der Software gelang es, 70 von 100 Strukturen sehr genau vorherzusagen. Der Wettbewerbsjury war die Struktur der Proteine durch sogenannte Kristallstrukturanalysen bekannt. Dabei wird die Form von Molekülen durch Röntgenstrahlung in einem sehr aufwendigen und nicht immer erfolgreichen Verfahren bestimmt. Der Wettbewerb konzentrierte sich auf vergleichsweise einfache Proteine, doch für diese sei das Faltungsproblem nun "im Wesentlichen gelöst", heißt es in der Pressemitteilung des Unternehmens.

Soweit würden viele Experten allerdings doch nicht gehen. "Es ist fantastisch und von großem wissenschaftlichem Wert, eine Methode zu haben, die so erfolgreich atomare Modelle produziert. Den 'Code der Proteinfaltung' halte ich allerdings nicht wirklich für geknackt", sagt etwa Gunnar Schröder, Leiter der Forschungsgruppe Computational Structural Biology am Forschungszentrum Jülich. "Alpha Fold ist im Grunde, wie eine Person zu kennen, die innerhalb weniger Stunden eine Proteinstruktur experimentell bestimmen kann, uns aber nicht sagt, wie sie das macht."

Die Form bestimmt die Funktion der Nanomaschinen

Die Frage nach der dreidimensionalen Gestalt eines Proteins ist nicht nur von akademischem Interesse. Die Form bestimmt die Funktion dieser Nanomaschinen, die an allen Lebensprozessen beteiligt sind, sei es Atmen, Verdauen, Sprechen, Gehen oder Denken. Jede Zelle ist prall gefüllt mit diesen nanometergroßen Biomolekülen. Deshalb sind sie auch wichtige Ziele für Arzneistoffe.

Auch ohne dass klar ist, wie die KI zu ihren Strukturvorhersagen kommt, kann sie den Forschern bei ihrer Arbeit helfen. "Herausragend ist die berichtete Genauigkeit des Verfahrens", sagt Alexander Schug, Leiter der Forschungsgruppe "Multiscale Biomolecular Simulation" am Karlsruher Institut für Technologie. Die herkömmlichen Methoden der Strukturaufklärung könnten durch Alpha Fold verbessert werden, "was neben der Grundlagenforschung auch für die pharmazeutische und medizinische Forschung relevant ist."

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