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WISSENSCHAFT IM TREND: Hochmoderne KI wird die wissenschaftliche Forschung revolutionieren

Eine frei verfügbare, KI-gestützte Datenbank, die nahezu alle Proteine des menschlichen Körpers enthält, verspricht einen wichtigen Beitrag zur Wissenschaft zu leisten.

Grundlagenforschung

Proteine sind in allen lebenden Organismen vorhanden und umfassen zahlreiche wichtige biologische Verbindungen wie Enzyme, Hormone und Antikörper. Für den medizinischen Fortschritt ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie Proteinstrukturen funktionieren. Bislang ist nur ein kleiner Teil dieser Strukturen erforscht. Forschende des Londoner Unternehmens DeepMind haben die KI-Technologie AlphaFold eingesetzt, um die Strukturen fast aller von unserem Körper hergestellten Proteine zu prognostizieren. Gemeinsam mit dem Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) stellten sie ihre Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature“ vor.

Könnte diese biologische Kartierung eine medizinische Revolution auslösen?

„Wir sind der Ansicht, dass dies das bisher vollständigste und genaueste Bild des menschlichen Proteoms ist. Wir glauben, dass diese Arbeit den bedeutendsten Beitrag darstellt, den die KI bisher zum Fortschritt des wissenschaftlichen Kenntnisstandes geleistet hat“, so Dr. Demis Hassabis, Mitbegründer und CEO von DeepMind, gegenüber der „BBC“. „Und ich denke, es ist ein großartiges Beispiel dafür, welchen Nutzen KI der Gesellschaft bringen kann. Wir sind sehr neugierig darauf, was die Gemeinschaft damit anstellen wird.“ EMBL-Generaldirektorin Prof. Edith Heard erklärt: „Dies wird für unser Verständnis der Lebensvorgänge von entscheidender Bedeutung sein.“ Das Forschungsteam veröffentlichte die umfassendste und präziseste Online-Datenbank, die 20 000 vom menschlichen Genom exprimierte Proteine enthält. Sie umfasst außerdem über 350 000 Proteine von Menschen und anderen Organismen, von Bakterien und Hefe bis hin zu Mäusen. Diese Zahl wird sich in der nahen Zukunft auf Millionen Proteine erhöhen. AlphaFold hat die 3D-Form von Proteinen auf der Basis ihrer Aminosäuresequenzen exakt vorhergesagt. Aminosäuren sind organische Verbindungen, die sich zu Proteinen verbinden.

Deep Learning beschleunigt das Tempo der Wissenschaft

Im Laufe der Jahre war die Analyse fast aller im menschlichen Genom kodierten Proteine sowie die Vorhersage ihrer wahrscheinlichen 3D-Struktur sowohl zeitaufwändig als auch teuer. Überdies mangelte es der Software an Genauigkeit. Bislang besaßen wir nur für 17 % der gesamten menschlichen Proteine strukturelle Informationen. AlphaFold hat die Struktur von 58 % der Aminosäuren des Proteoms vorhergesagt. Die Positionen von fast 36 % wurden mit großer Sicherheit vorausgesagt. Aus der 3D-Struktur können wichtige Informationen über das Protein gewonnen werden, beispielsweise wie es mit anderen Proteinen und Chemikalien interagiert. Anhand dieser Struktur erfährt die wissenschaftliche Gemeinschaft, wie bestimmte Mutationen die Funktion des Proteins verändern. Von den Neurowissenschaften bis hin zur Medizin können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dank des hochentwickelten KI-Systems ihre Arbeit erheblich beschleunigen. „Dadurch, dass wir die AlphaFold-Vorhersagen der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich machen, eröffnen sich so viele neue Forschungsmöglichkeiten, von bisher unzureichend erforschten Krankheiten bis hin zu neuen Enzymen für die Biotechnologie und allem, was dazwischen liegt“, so Ewan Birney, stellvertretender Generaldirektor des EMBL und Direktor des EMBL-EBI, in einer Pressemitteilung. „Es handelt sich um ein großartiges neues wissenschaftliches Instrument, das die vorhandenen Technologien ergänzt und es uns erlauben wird, die Grenzen unseres Verständnisses der Welt zu erweitern.“ „Die Anwendungsmöglichkeiten sind eigentlich nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt ... die AlphaFold-Datenbank wird unser Verständnis der Funktionsweise von Proteinen und deren Rolle in den fundamentalen Lebensprozessen verbessern“, so Prof. Heard gegenüber „The Guardian“. „Dieses Verständnis bedeutet, dass wir besser gerüstet sind, um die molekularen Mechanismen des Lebens zu entschlüsseln und unsere Bemühungen um den Schutz und die Behandlung der menschlichen Gesundheit sowie der Gesundheit unseres Planeten zu beschleunigen ...“

Schlüsselbegriffe

KI, Protein, Aminosäure, Proteom, Genom, 3D-Struktur, AlphaFold