Innovative KI-Plattform zur Erzeugung neuartiger Proteine

HEIDELBERG / LONDON (IT BOLTWISE) – In der Welt der Biotechnologie hat ein Team aus Heidelberg einen bedeutenden Fortschritt erzielt. Durch die Kombination von Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen ist es gelungen, eine Plattform zu entwickeln, die neuartige Proteine erzeugt.

Die Entwicklung von Proteinen, die spezifische Funktionen erfüllen können, ist ein komplexer Prozess, der durch die jüngsten Fortschritte in der Künstlichen Intelligenz erheblich vereinfacht wurde. Ein Team am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg hat eine KI-Plattform namens AlphaDesign entwickelt, die in der Lage ist, völlig neue Proteine zu generieren. Diese Proteine könnten in der Lage sein, komplexe Funktionen zu erfüllen, die bisher nicht möglich waren.

AlphaDesign nutzt eine Kombination aus Halluzinationen und einem stabilen maschinellen Lernverfahren, um Proteine zu entwerfen, die in der Natur nicht vorkommen. In ersten Experimenten konnte das System einen Hemmstoff für ein bakterielles Verteidigungssystem erzeugen, der das Zielprotein RcaT blockiert. Von den 88 generierten Proteinen erwiesen sich 17 als wirksam, was die Leistungsfähigkeit der Plattform unterstreicht.

Das Verfahren von AlphaDesign besteht aus zwei Hauptstufen. Zunächst werden zufällige Abfolgen von Proteinbausteinen erzeugt und deren Struktur mit dem von Google entwickelten Tool AlphaFold vorhergesagt. Ein spezieller Algorithmus fügt zufällige Veränderungen in die Proteinsequenz ein, um bessere Versionen zu erzeugen. Diese werden dann erneut mit AlphaFold simuliert und optimiert.

Der entscheidende Fortschritt liegt in der zweiten Stufe, in der ein Diffusionsmodell aus den Kandidatenproteinen neue Proteine mit veränderter Bausteinabfolge erzeugt. Diese werden dann von AlphaFold auf ihre Struktur und Funktion hin überprüft. Durch diese Kombination zweier Verfahren ist AlphaDesign besonders leistungsfähig und kann auch komplexere Proteine erzeugen, die ihre Form ändern müssen, um zu binden.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind vielfältig. Neben der Entwicklung von Hemmstoffen gegen bakterielle Proteine könnten auch Proteine mit mehreren Bindungsstellen oder solche, die ihre Form ändern müssen, um zu binden, erzeugt werden. Dies eröffnet neue Perspektiven in der medizinischen Forschung und der Entwicklung von Therapeutika.

Obwohl das System bereits beeindruckende Ergebnisse erzielt hat, gibt es noch Herausforderungen zu bewältigen. Insbesondere bei der Erzeugung großer Proteine stößt das Verfahren an seine Grenzen. Zukünftige Verbesserungen sollen helfen, diese Probleme zu überwinden und die Anwendbarkeit der Technologie weiter zu erhöhen.

Die Kombination aus maschinellem Lernen und Diffusionsmodellen stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des Proteindesigns dar. Sie ermöglicht die Erzeugung von Proteinen, die nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis funktionieren. Dies könnte die Art und Weise, wie wir Proteine entwickeln und nutzen, grundlegend verändern.

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