Proteinhüllen, die mit KI entworfen wurden, hatten keine Mängel
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KI kann extrem dichte Proteinhüllen entwerfen, die eines Tages zu wirksameren Impfstoffen führen könnten.
Das Erbgut von Viren ist in Proteinhüllen untergebracht. Ähnliche im Labor hergestellte Hüllen werden in Impfstoffen verwendet, die Moleküle einkapseln, die eine Immunantwort im Körper auslösen. Die chemischen und biologischen Eigenschaften dieser künstlich hergestellten Hüllen hängen von ihrer Konstruktion ab – alle Unvollkommenheiten in ihnen, egal wie klein, machen sie weniger effektiv, was dazu führt, dass sie instabil sind und unvorhersehbar in Zellen reagieren. Isaak Lutz an der University of Washington in Seattle und seine Kollegen wollten sehen, ob der Einsatz künstlicher Intelligenz das Design und die Herstellung dieser Hüllen präziser machen könnte.
Zuerst fütterten sie die KI mit den Eigenschaften, die sie für eine Schale haben wollten, wie Größe und Porosität. Die KI verwendete dann Reinforcement Learning – den gleichen iterativen Prozess, den KI-Systeme verwenden, um zu lernen, Spiele wie Schach zu spielen, indem sie verschiedene Züge ausprobieren, dann Feedback erhalten und es erneut versuchen. Hier bestanden die Bewegungen der KI darin, kleine Proteinstrukturen, sogenannte Alpha-Helices, zu 20-seitigen Schalen zu kombinieren, zu falten und zu verflechten und dann zu prüfen, ob das Design die gewünschten Eigenschaften hatte.
Nachdem die KI Hunderttausende von Hüllen entworfen hatte, stellten die Forscher etwa 350 davon im Labor her. Sie untersuchten sie mit einem Elektronenmikroskop und stellten fest, dass die KI dichtere Hüllen hergestellt hatte, als jemals zuvor geschaffen worden waren. Lutz sagt, das liegt daran, dass es mit sehr kleinen Bausteinen begann, die so hergestellt werden konnten, dass sie besser zusammenpassen als größere Proteinstrukturen, die Forscher zuvor verwendet haben.
„Es ist, als müssten wir früher so etwas wie Eiweiß-Legos kaufen, und was man bauen konnte, war dadurch begrenzt, wie sie zusammenpassen konnten. Während wir jetzt sagen können, was wir bauen wollen, entwirft und verbindet die KI genau die Legos, die dazu benötigt werden“, sagt er.
Um zu testen, wie sich eine hohe Dichte auf die Verwendung der Schalen in lebenden Zellen auswirkt, besetzte das Team die Schalen mit verschiedenen Molekülen und führte sie in Mäuse ein. Insbesondere in einem Experiment mit Molekülen, die die Produktion von Influenza-Antikörpern auslösen, führten die von KI entworfenen Hüllen zu einer kleinen, aber statistisch signifikanten Steigerung der Immunantwort im Vergleich zu einigen konventionelleren Impfstoffkandidaten, die sich derzeit in klinischen Studien befinden. Laut Lutz liegt dies an der Präzision der KI-Methode – jedes Molekül ist genau dort, wo es auf der Hülle sein muss, und die Hülle ist strukturell solide genug, um viele von ihnen zu tragen.
„Es ist erstaunlich, dass das Team das geschafft hat. Die Evolution braucht Milliarden von Jahren, um einzelne Proteine zu entwerfen, die sich genau richtig falten, aber das ist eine andere Ebene der Komplexität, um Proteine so zu falten, dass sie so gut zusammenpassen und geschlossene Strukturen bilden“, sagt er Martin Edel an der Newcastle University in Großbritannien.
Yang Zhang an der University of Michigan sagt, dass zusätzlich zu Impfstoffen von KI entwickelte Proteinhüllen für die Gentherapie nützlich sein könnten, bei der genetisches Material in einer Hülle platziert werden könnte, die so zugeschnitten ist, dass die Zellen des Patienten nicht nachteilig darauf reagieren.
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