Wir stehen an der Schwelle einer neuen Ära in der pharmazeutischen Industrie, einer Revolution, die durch jahrzehntelange öffentlich finanzierte Forschung und die fortschrittlichsten Technologien von heute vorangetrieben wird. Künstliche Intelligenz (KI) gibt Hoffnung auf die Entwicklung von Medikamenten gegen einige der verheerendsten Krankheiten, die die Menschheit heimsuchen, von Krebs und Diabetes bis hin zur Alzheimer-Krankheit. Im Zentrum dieser Krankheiten stehen oft Proteine, entscheidende molekulare Akteure, deren Fehlverhalten katastrophale Folgen für die menschliche Gesundheit haben kann.

Wenn wir uns unseren Körper als ein perfekt abgestimmtes Orchester vorstellen, sind die Proteine seine Dirigenten. In Form von Hormonen steuern sie grundlegende Prozesse wie Wachstum, Stoffwechsel und Fortpflanzung. Als Enzyme geben sie das Tempo chemischer Reaktionen vor, die für die Verdauung oder die DNA-Replikation notwendig sind. In der Rolle von Antikörpern führen sie unser Immunsystem im Kampf gegen Krankheitserreger an. In ihren zahlreichen anderen Formen entscheiden sie über Leben und Tod jeder Zelle. Doch wenn diese meisterhaften molekularen Maschinen versagen, sei es in ihrer Struktur oder Funktion, wird die Harmonie gestört und Krankheit entsteht.

Möglichkeiten, Proteine in Medikamente umzuwandeln

Die Idee, Proteine als Medikamente zu verwenden, ist nicht neu. Wir setzen sie ein, wenn der Körper ein bestimmtes Protein nicht in ausreichender Menge produziert oder wenn dieses Protein nicht richtig funktioniert. Das offensichtlichste Beispiel ist Insulin, ein Proteinhormon, das den Zuckerstoffwechsel reguliert. Bei Menschen mit Typ-1-Diabetes produziert der Körper nicht genügend Insulin, daher müssen sie es von außen zuführen, um ihren Blutzuckerspiegel zu kontrollieren. Insulin ist einer der ersten Triumphe des Bioingenieurwesens, doch die heutige Palette an proteinbasierten Medikamenten ist weitaus breiter und ausgefeilter.

Neben Insulin werden in der modernen Medizin auch andere proteinbasierte Medikamente eingesetzt. Beliebte Medikamente zur Gewichtsreduktion wie Ozempic und Wegovy basieren auf GLP-1-Rezeptoragonisten, die ebenfalls proteinbasiert sind. In der Onkologie zielen Antikörpertherapien wie Herceptin bei bestimmten Brustkrebsarten auf spezifische Proteine auf der Oberfläche von Tumorzellen ab und markieren diese zur Zerstörung durch das Immunsystem. Das Potenzial ist riesig, doch die traditionellen Methoden zur Entdeckung und Modifizierung bestehender Proteine haben ihre Grenzen. Hier kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel.

Wie erschafft künstliche Intelligenz die Proteine der Zukunft?

Der wahre Durchbruch geschieht, wenn wir beginnen, Proteine völlig neu zu entwerfen, befreit von den Fesseln dessen, was in der Natur bereits existiert. „Wenn man Proteine komplett von Grund auf neu entwirft, ist man nicht mehr auf bereits existierende Proteine beschränkt. Wir können Proteine mit völlig neuen Eigenschaften bauen, und das könnte unglaublich wirkungsvoll sein, um die Herausforderungen zu bewältigen, denen wir in der Medizin gegenüberstehen“, erklärt Dr. Tanja Kortemme, Professorin für Bioingenieurwesen an der University of California, San Francisco (UCSF) und Prodekanin für Forschung an der UCSF School of Pharmacy. Ihr Labor hat kürzlich die weltweit ersten synthetischen Proteine geschaffen, die ihre Form ändern können und so die dynamische Natur natürlicher Proteine nachahmen.

Der Prozess lässt sich mit der Funktionsweise populärer KI-Modelle wie ChatGPT vergleichen, aber anstelle von Text „denken“ diese Modelle in drei Dimensionen. Die KI wird auf riesigen Datenbanken trainiert, die die präzisen dreidimensionalen Strukturen von Hunderttausenden bekannter Proteine enthalten. Sobald die KI die „Sprache“ der Proteinstrukturen gelernt hat – wo jedes Atom positioniert ist und wie sich das Protein im Raum faltet – können Wissenschaftler ihr eine Aufgabe stellen. Zum Beispiel können sie verlangen, ein völlig neues Protein zu generieren, das perfekt an ein für die Ausbreitung von Krebs verantwortliches Protein bindet und dessen Funktion blockiert. Die Möglichkeiten sind, wie Dr. Kortemme sagt, nahezu unbegrenzt.

Die Grundlage der Revolution: Die Macht der Daten und jahrzehntelange Forschung

Der Erfolg dieser fortschrittlichen KI-Modelle wäre ohne eine entscheidende Ressource nicht möglich: die globale, öffentlich zugängliche Protein-Datenbank (Protein Data Bank - PDB). Diese unglaubliche Wissensschatzkammer ist über Jahrzehnte durch die Bemühungen der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft entstanden. Wissenschaftler aus aller Welt haben ihre Erkenntnisse über Proteinstrukturen in diese offene Datenbank eingespeist, um gemeinsam die Wissenschaft voranzubringen. Genau dieses monumentale Datenlager, das mehr als 200.000 detailliert beschriebene Molekülstrukturen enthält, hat die Entwicklung von KI-Werkzeugen ermöglicht, die heute eine Revolution versprechen.

Dieses gemeinschaftliche Unterfangen wurde durch kontinuierliche Finanzierung aus öffentlichen, bundesstaatlichen Quellen ermöglicht, vor allem durch die National Institutes of Health (NIH) und die National Science Foundation (NSF) in den USA. Das Labor von Dr. Kortemme nutzt diese groß angelegten Daten, um neue Proteine mit völlig neuen Funktionen zu produzieren, wobei sowohl bestehende generative KI-Modelle verwendet als auch eigene entwickelt werden.

Vom digitalen Code zum echten Medikament: Die Reise eines Proteins

Nachdem ein KI-Modell eine vielversprechende digitale Proteinstruktur generiert hat, folgt der entscheidende Schritt, dieses Design in ein echtes, physisches Molekül zu übersetzen. Dies wird durch DNA-Synthese und rekombinante DNA-Technologie erreicht. Wissenschaftler können ein DNA-Segment synthetisieren, das das „Rezept“ für das gewünschte Protein enthält, und diesen genetischen Code dann in einen lebenden Organismus, meist ein Bakterium oder eine Hefe, einfügen. Diese Zellen werden zu Miniaturfabriken, die das neue, künstlich entworfene Protein in großen Mengen produzieren.

Interessanterweise war die UCSF einer der Pioniere bei der Entwicklung der rekombinanten DNA-Technologie, einer Innovation, die den Grundstein für die moderne Biotechnologie legte und heute entscheidend ist, um die von künstlicher Intelligenz geschaffenen Designs zum Leben zu erwecken.

UCSF als Epizentrum für Innovation und Multidisziplinarität

Seit mehr als zwanzig Jahren ist die University of California, San Francisco (UCSF) führend in den Technologien des Protein-Engineerings, bei dem bestehende Proteine modifiziert werden, um bessere Medikamente zu entwickeln. Heute haben Forschungsgruppen an der UCSF, angeführt von äußerst innovativen Doktoranden und Postdoktoranden, fortschrittliche computergestützte Methoden, einschließlich KI, entwickelt, um Proteine von Grund auf neu zu entwerfen. Studenten mit einem Hintergrund in Informatik, Ingenieurwesen oder Mathematik kommen an die UCSF, angezogen nicht nur von den wissenschaftlichen Herausforderungen, sondern auch von der einzigartigen Umgebung, die die Stadt bietet. Obwohl die Suche nach einer Unterkunft in San Francisco eine Herausforderung sein kann, werden diese durch die gebotenen akademischen Möglichkeiten bei weitem übertroffen.

Das Geheimnis dieses Erfolgs liegt in der interdisziplinären Wissenschaft und Zusammenarbeit. Die UCSF bietet eine einzigartige Umgebung, in der verschiedene Bereiche zusammenkommen – Informatik, Ingenieurwesen, Grundlagenbiologie, biomedizinische Wissenschaften und pharmazeutische Entwicklung. Diese Synergie schafft einen fruchtbaren Boden für Innovationen. Studenten mit starken quantitativen Fähigkeiten sind fasziniert von den biologischen und biomedizinischen Problemen, die die Forschung an der UCSF vorantreiben, und genau sie sind die entscheidenden treibenden Kräfte des Fortschritts. Der akademische Ruf und die Forschungsmöglichkeiten machen die UCSF zu einem Magneten für Talente aus der ganzen Welt, die oft auch eine Unterkunft in San Francisco suchen, um Teil dieses dynamischen Ökosystems zu sein.

Wann können wir die ersten durch künstliche Intelligenz entwickelten Medikamente erwarten?

Obwohl zahlreiche Unternehmen bereits KI-Methoden zur Unterstützung bei der Entdeckung und Optimierung potenzieller Medikamente einsetzen, gibt es auf dem Markt noch kein Medikament, das vollständig, von Anfang bis Ende, ausschließlich durch künstliche Intelligenz entwickelt wurde. Wir erleben jedoch eine wahre Explosion von Bemühungen in der biotechnologischen Industrie, die auf die Entwicklung von KI-generierten Proteinen mit therapeutischem Potenzial abzielen.

Experten sind optimistisch. „Ich erwarte, dass wir in den nächsten fünf Jahren eine große Anzahl dieser entworfenen Proteine in die präklinische Entwicklung gehen sehen werden, und dann hoffentlich auch in klinische Studien, um den Menschen wirklich zu helfen“, prognostiziert Dr. Kortemme. Der Weg vom Computermodell zum Patienten ist lang und anspruchsvoll, aber die Geschwindigkeit, mit der die KI die Anfangsphasen der Medikamentenentdeckung beschleunigt, gibt Anlass zu großem Optimismus. Die Revolution hat bereits begonnen, und ihre Früchte könnten die Art und Weise, wie wir die schwersten Krankheiten behandeln, für immer verändern.

Quelle: University of California