Eine mit Hilfe künstlicher Intelligenz entworfene DNA steuert erstmals das Verhalten von Säugetierzellen.

Ein Wissenschaftlerteam in Barcelona hat erstmals ein künstliches Intelligenzsystem entwickelt, das in der Lage ist, DNA- Fragmente zu entwerfen, die die Funktion gesunder Säugetierzellen steuern.

Die Arbeit stellt einen neuen Ansatz für den Einsatz maschineller Lernsysteme in der Biomedizin dar. Diese Technologie ist revolutionär, sagt einer ihrer Hauptvertreter, der Bioinformatiker David Baker , der im vergangenen Jahr für seine Arbeit auf diesem Gebiet den Nobelpreis für Chemie erhielt. Bislang konzentrierten sich die meisten dieser Anwendungen auf die Herstellung von Proteinen mit maßgeschneiderten Funktionen. In vielen Fällen wurden dabei Moleküle geschaffen, die in der Natur nicht vorkommen und als Impfstoffe, Krebsmedikamente oder Gegenmittel gegen Gifte eingesetzt werden können.

Das neue Werk, erschienen in der Fachzeitschrift Cell befasst sich nicht mit dem Design von Proteinen, sondern mit dem genetischen Code der DNA, der das Rezept für ihre Herstellung enthält. Das menschliche Genom ist eine sehr lange Sequenz mit etwa 3 Milliarden DNA- Buchstaben (TCAGG…). Obwohl diese Bauanleitung gelesen wurde und einige ihrer grundlegenden Komponenten, wie etwa die Gene, bekannt sind, sind andere Teile des Codes noch immer weitgehend unbekannt, obwohl sie eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung spielen, wie ein Mensch mit all seinen differenzierten Gewebetypen geformt wird oder wie ein Tumor entsteht.

Lars Velten , ein 37-jähriger deutscher Biologe, hat den Großteil seiner Karriere damit verbracht, die Sprache der DNA zu verstehen. Insbesondere die genetischen Elemente, die die Genfunktion regulieren und beispielsweise darüber entscheiden, ob aus einer Stammzelle ein rotes Blutkörperchen wird, das Sauerstoff durch den Körper transportieren kann, oder ein weißes Blutkörperchen, das jede Bedrohung aufspüren und beseitigen kann. Die Wissenschaftler haben sich auf relativ kleine DNA-Fragmente mit einer Länge von etwa 250 DNA-Buchstaben, sogenannte Enhancer, konzentriert, die für die Modulation der Aktivität von Genen von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung und das Verhalten von Blutzellen sind.

In den letzten fünf Jahren hat das Team einem künstlichen Intelligenzsystem rund 64.000 synthetische Verstärker präsentiert, das die Funktion jedes einzelnen erlernt hat. Es handelt sich um die größte Sammlung dieser genetischen Komponenten, die jemals zusammengestellt wurde, um das Verhalten von sieben verschiedenen Arten von Blutzellen zu verstehen, darunter rote Blutkörperchen, mehrere Arten von weißen Blutkörperchen und Blutstammzellen. Enhancer wirken, indem sie an Transkriptionsfaktoren binden, Proteine, die auch die Genfunktion modulieren. Die Forscher analysierten den genauen Zusammenhang mit 38 Transkriptionsfaktoren.

Mit all diesen Daten war das System in der Lage, neue Enhancer zu erstellen, die in der Natur nicht vorkommen. Die Forscher nahmen diese DNA-Fragmente, führten sie in das Genom von Blutzellen ein und zeigten, dass sie in der Lage sind, die Aktivität der gewünschten Gene ein- oder auszuschalten oder zu modulieren. Ein von einem künstlichen Intelligenzsystem erstelltes DNA-Wort bestimmt somit das Verhalten und Schicksal lebender Zellen.

„Dies ist das erste Mal, dass so etwas bei gesunden Zellen erreicht wurde, denn bisher konzentrierte sich die Forschung auf Krebszellen, die leichter zu handhaben sind“, betont Velten. Das Team hat das System anhand von Blutzellen von Mäusen demonstriert, glaubt jedoch, dass dies nur der erste Schritt ist.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass dieselbe Methode verwendet werden könnte, um das Verhalten und Schicksal von Zellen in anderen gesunden Geweben zu kontrollieren. Eine weitere, langfristigere Anwendung besteht darin, dieses System in Krebszellen oder sogar in anderen Zellen einzusetzen, die bereits gefährliche genetische Mutationen aufweisen , die in Zukunft zur Krankheit führen könnten . „Es gibt bestimmte Mutationen, die sich mit zunehmendem Alter anhäufen. Ich wäre daran interessiert, genetische Verstärker für diese Zellen zu entwickeln, da es derzeit kein gutes Medikament gibt, um sie zu bekämpfen“, erklärt Velten.

Die Biochemikerin Susana Vázquez , Spezialistin für Proteindesign mit künstlicher Intelligenz am spanischen Nationalen Krebsforschungszentrum (CNIO), die nicht an der Arbeit beteiligt war, unterstreicht deren Bedeutung. „Einer der interessantesten Aspekte ist, wie diese umfangreiche Datensammlung es uns ermöglicht hat, Algorithmen der künstlichen Intelligenz zu trainieren, die in der Lage sind, DNA-Sequenzen de novo, also von Grund auf, zu entwerfen“, sagt der Wissenschaftler. „Diese Sequenzen können spezifische zelluläre Reaktionen hervorrufen und so die Tür für eine Möglichkeit öffnen, zelluläres Verhalten zu programmieren. Ich denke, diese Studie spiegelt perfekt den transformativen Moment wider, den wir erleben, in dem künstliche Intelligenz beginnt, einen echten Einfluss auf alle Wissensbereiche zu haben“, fügt er hinzu.