25.11.2022 - Chalmers University of Technology

KI fertigt künstliche DNA für die künftige Arzneimittelentwicklung

DNA-Moleküle auf Bestellung: "Was sonst Jahre dauert, verkürzt sich jetzt auf Wochen oder Tage"

Mit Hilfe künstlicher Intelligenz ist es Forschern der Chalmers University of Technology, Schweden, gelungen, synthetische DNA zu entwickeln, die die Proteinproduktion der Zellen steuert. Die Technologie kann zur Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen, Arzneimitteln für schwere Krankheiten sowie alternativen Nahrungsproteinen beitragen, und zwar viel schneller und zu deutlich niedrigeren Kosten als heute.

Die Art und Weise, wie unsere Gene ausgedrückt werden, ist ein Prozess, der für die Funktionalität der Zellen in allen lebenden Organismen von grundlegender Bedeutung ist. Einfach ausgedrückt, wird der genetische Code in der DNA in das Molekül Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben, das der Zellfabrik mitteilt, welches Protein in welcher Menge produziert werden soll.

Forscher haben sich intensiv um die Kontrolle der Genexpression bemüht, weil sie unter anderem zur Entwicklung von Medikamenten auf Proteinbasis beitragen kann. Ein aktuelles Beispiel ist der mRNA-Impfstoff gegen Covid-19, der die Körperzellen anweist, das gleiche Protein zu produzieren, das auf der Oberfläche des Coronavirus zu finden ist. Das körpereigene Immunsystem könnte dann lernen, Antikörper gegen das Virus zu bilden. Ebenso ist es möglich, dem körpereigenen Immunsystem beizubringen, Krebszellen oder andere komplexe Krankheiten zu bekämpfen, wenn man den genetischen Code hinter der Produktion bestimmter Proteine versteht.

Die meisten der heutigen neuen Medikamente basieren auf Proteinen, aber die Techniken zu ihrer Herstellung sind sowohl teuer als auch langsam, weil es schwierig ist zu kontrollieren, wie die DNA exprimiert wird. Letztes Jahr hat eine Forschungsgruppe in Chalmers unter der Leitung von Aleksej Zelezniak, außerordentlicher Professor für Systembiologie, einen wichtigen Schritt getan, um zu verstehen und zu kontrollieren, wie viel von einem Protein aus einer bestimmten DNA-Sequenz hergestellt wird.

"Zunächst ging es darum, die Anweisungen des DNA-Moleküls vollständig 'lesen' zu können. Jetzt ist es uns gelungen, unsere eigene DNA zu entwerfen, die die genauen Anweisungen zur Steuerung der Menge eines bestimmten Proteins enthält", sagt Aleksej Zelezniak über den jüngsten wichtigen Durchbruch der Forschungsgruppe.

DNA-Moleküle auf Bestellung

Das Prinzip hinter der neuen Methode ist vergleichbar mit der Erzeugung von Gesichtern durch eine künstliche Intelligenz, die wie echte Menschen aussehen. Indem sie lernt, wie eine große Auswahl von Gesichtern aussieht, kann die KI dann völlig neue, aber natürlich aussehende Gesichter erstellen. Es ist dann ein Leichtes, ein Gesicht zu verändern, z. B. indem man ihm sagt, dass es älter aussehen oder eine andere Frisur haben soll. Ein glaubwürdiges Gesicht von Grund auf neu zu programmieren, wäre dagegen ohne den Einsatz von KI sehr viel schwieriger und zeitaufwändiger gewesen. In ähnlicher Weise wurde der KI der Forscher die Struktur und der regulatorische Code der DNA beigebracht. Die KI entwirft dann synthetische DNA, deren regulatorische Informationen sich leicht in die gewünschte Richtung der Genexpression verändern lassen. Vereinfacht gesagt, wird der KI mitgeteilt, wie viel von einem Gen gewünscht ist, und sie "druckt" dann die entsprechende DNA-Sequenz.

"Die DNA ist ein unglaublich langes und komplexes Molekül. Daher ist es experimentell äußerst anspruchsvoll, Änderungen daran vorzunehmen, indem man sie iterativ abliest und verändert und dann wieder abliest und verändert. Auf diese Weise dauert es Jahre der Forschung, bis man etwas findet, das funktioniert. Stattdessen ist es viel effektiver, eine KI die Prinzipien der Navigation in der DNA lernen zu lassen. Was sonst Jahre dauert, verkürzt sich jetzt auf Wochen oder Tage", sagt Erstautor Jan Zrimec, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Nationalen Institut für Biologie in Slowenien und ehemaliger Postdoc in der Gruppe von Aleksej Zelezniak.

Die Forscher haben ihre Methode an der Hefe Saccharomyces cerevisiae entwickelt, deren Zellen Säugetierzellen ähneln. Der nächste Schritt ist die Verwendung menschlicher Zellen. Die Forscher hoffen, dass ihre Fortschritte Auswirkungen auf die Entwicklung neuer und bestehender Medikamente haben werden.

"Die Entwicklung von Medikamenten auf Proteinbasis für komplexe Krankheiten oder alternativen nachhaltigen Nahrungsproteinen kann viele Jahre dauern und extrem teuer sein. Manche sind so teuer, dass sich die Investition nicht rentiert, so dass sie wirtschaftlich nicht tragfähig sind. Mit unserer Technologie ist es möglich, Proteine viel effizienter zu entwickeln und herzustellen, so dass sie vermarktet werden können", sagt Aleksej Zelezniak.

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