Proteine sind die Macher der Biologie. Im menschlichen Körper verrichten sie die meiste Arbeit in den Zellen und werden für den Aufbau, die Funktion und die Regulation der körpereigenen Gewebe und Organe benötigt. Jedes Protein besteht aus einer präzisen Sequenz von Aminosäuren, die es ihm ermöglicht, sich in eine dreidimensionale Form zu falten, die seine Funktion bestimmt. In der Vergangenheit konnte die alles entscheidende Struktur eines Proteins nur durch schwierige und zeitaufwändige Laboranalysen erfasst werden. Jetzt kommt eine dramatische neue Wendung – ein Fenster zu den Grundbausteinen des Lebens.
DeepMind, ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen, das zu Alphabet, der Muttergesellschaft von Google, gehört, hat ein System für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Proteinen vorhersagen und die Aminosäuren entschlüsseln kann, aus denen jedes Protein besteht. Im vergangenen Jahr hatte das System 350.000 Einträge. Am 28. Juli kündigte Demis Hassabis, Mitbegründer und Geschäftsführer von DeepMind, die Erweiterung der Datenbank des Unternehmens mit gefalteten Proteinen auf mehr als 200 Millionen an – fast alle katalogisierten Proteine, die der Wissenschaft bekannt sind, einschließlich derjenigen in Menschen, Pflanzen, Bakterien, Tieren und anderen Organismen – und dass das Unternehmen sie öffentlich zugänglich und kostenlos macht, zugänglich mit nicht mehr Aufwand als einer Google-Suche. Die Datenbank heißt AlphaFold und ist das Äquivalent eines James-Webb-Weltraumteleskops für die Biologie, das erstaunliche neue Bilder einer jenseitigen Welt liefert.
Proteine lassen sich nicht ordentlich zusammenfalten wie Geschirrtücher. Viele sehen aus wie ein Garnknäuel, nachdem eine Katze damit gespielt hat. Sie haben oft präzise konstruierte bewegliche Teile, die mit chemischen Ereignissen verbunden sind und, was am wichtigsten ist, an andere Moleküle binden. Antikörper sind beispielsweise Proteine, die vom Immunsystem produziert werden und an fremde Moleküle binden, wie die auf der Oberfläche eines eindringenden Virus, wie z. B. die Stacheln des Coronavirus. Daher versuchen Wissenschaftler seit Jahrzehnten, die genaue Faltung von Proteinen und ihre Funktionen zu lernen. Forscher verwenden seit langem eine als Röntgenkristallographie bekannte Technik, um die Struktur von Proteinen besser zu erfassen, und das zentrale Archiv des Feldes enthält etwa 185.000 experimentell gelöste Strukturen.
Dann kam künstliche Intelligenz. AlphaFold-Algorithmen lernten, wie man die Proteinfaltung basierend auf der zugrunde liegenden Aminosäuresequenz vorhersagt, was zu einer Explosion neuer Informationen führte. Ein anderes Projekt namens RoseTTAFold am Institute for Protein Design der University of Washington verfolgt eine ähnliche Suche. Die Vorhersagen zur Proteinfaltung müssen überprüft werden, in einigen Fällen durch reale Experimente. Aber für Arzneimittel- und Impfstoffentwickler, die wissen möchten, wie ein Protein aussieht oder sich verhält, kann die Vorhersage selbst – eine visuelle Darstellung – einen bemerkenswerten Vorsprung bieten. Sowohl die Zeitschriften Science als auch Nature Methods bezeichneten den Durchbruch als den wichtigsten des Jahres 2021.
Mit diesen neuen Methoden ist es den Forschern gelungen, den Kernporenkomplex zu erforschen, der als eine Art Torwächter für alles fungiert, was in den Zellkern ein- und ausgeht. Es enthält mehr als 1.000 Proteinuntereinheiten, die miteinander verwoben sind, daher ist es für Wissenschaftler ein schwieriges Puzzle. Mit AlphaFold konnten die Forscher ein Modell erstellen, das fast doppelt so vollständig ist wie das alte und zwei Drittel des Komplexes abdeckt.
AlphaFold enthüllt weder alle Geheimnisse der Biologie, noch ist es der einzige Fortschritt, der für die Entwicklung von Medikamenten oder die Bekämpfung von Krankheiten benötigt wird. Aber die Aussicht ist wirklich erstaunlich.