Mit künstlicher Intelligenz das Leben gestalten
In unserem Körper gibt es etwa 20 000 verschiedene Arten von Proteinen: Kollagen, Insulin, Hämoglobin und viele mehr. Diese Moleküle erfüllen die unzähligen Funktionen, die für das Überleben unserer Zellen unerlässlich sind. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz erhalten die Wissenschaftler wertvolle Einblicke in die Welt der Proteine und ihrer verschiedenen Strukturen. Jedes Protein hat seine eigene 3D-Struktur, die mit seiner Funktion verbunden ist. Heute können Wissenschaftler diese Strukturen auf der Grundlage der Aminosäuresequenzen modellieren und neue Proteine für bestimmte Funktionen entwickeln. All dies eröffnet vielversprechende Forschungsmöglichkeiten auf dem Gebiet des Proteindesigns. Diese Forschungsmöglichkeit wollte Sahand Jamal Rahi, Assistenzprofessor und Leiter des EPFL-Labors für die Physik biologischer Systeme, den EPFL-Studierenden mit dem Projekt «Designing Life with AI» eröffnen .
Praktische Erfahrungen in der Forschung sammeln
«Als ich sah, dass es eine KI-gesteuerte Software gibt, mit der man auf einfache Weise Proteine entwerfen kann, wurde mir klar, dass ich mein Interesse an diesem Thema mit meinem Ziel verbinden kann, mehr Studenten Erfahrungen mit dem Forschungsprozess zu vermitteln», sagt Rahi: «Ich habe die Studenten immer ermutigt, in den Forschungslabors der EPFL mitzumachen, vor allem die Studierenden in meiner Thermodynamik-Klasse im ersten Jahr. Ich denke, dass es für junge Leute sehr wertvoll ist, praktische Erfahrungen in der Forschung zu sammeln, da es eine Sache ist, über Forschung zu lesen, aber eine ganz andere, sie in der Praxis anzuwenden.»
Das Projekt «Designing Life with AI», das von der MAKE-Initiative der EPFL unterstützt wird, bietet Studierenden die Möglichkeit, Forschungsprojekte im Bereich des Protein-Designs durchzuführen. Derzeit sind acht Forschungslabors und rund 30 Personen daran beteiligt. Cris Darbellay und Mateo Schärer Gonzalez, Bachelor-Studenten in Life Science Engineering, sind die Projektleiter von «Designing Life with AI». Sie erklären: «Neben der eigentlichen Forschung haben die Studierenden auch die Möglichkeit, sich mit Professoren zu treffen und informelle Kontakte zu knüpfen. Wir stellen auch Verfahren für die Laborexperimente und Benutzerhandbücher für die Software zur Verfügung.»
Herstellung von Proteinen für bestimmte Zwecke
Das Projekt, an dem Gonzalez und Darbellay arbeiten, bezieht sich auf Signalproteine wie Kinasen, die eine Schlüsselrolle bei der Regulierung von Zellfunktionen spielen. Sie untersuchen, wie LOV-Domänen (light-oxygen-voltage-sensing domains) zu diesen Proteinen hinzugefügt werden können, um ihre Aktivität zu regulieren. Wenn LOV-Domänen beispielsweise blauem Licht ausgesetzt werden, verändern sie ihre Form und können den Zustand des Proteins verändern: «Im Idealfall würden wir gerne eine Kinase schaffen, die eine LOV-Domäne enthält, so dass die Kinase durch die Anwendung von blauem Licht aktiviert werden kann», sagt Darbellay.
Andere «Designing Life with AI»-Projekte beziehen sich auf Binder, also Verbindungen, die an bestimmte Proteine binden können. Wissenschaftler verwenden Binder, um beispielsweise ein bestimmtes Toxin zu identifizieren, ein Protein zu blockieren oder die Signalwege eines Proteins zu verändern. Alexia Möller, Masterstudentin in Life Science Engineering, und Dario Sergo, Masterstudent in Physik, arbeiten an Nanobodies, kleinen Fragmenten von Antikörpern. Die beiden Studierenden entwickeln einen fluoreszierenden Nanokörper, der ein selbstpenetrierendes Peptid verwendet, um in die Zellen einzudringen. Unser Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, um Nanokörper zu entwerfen, die auf individuelle Antigene zugeschnitten sind», sagt Möller.
Proteine sind von zentraler Bedeutung für die biologischen Prozesse, die das Leben ermöglichen. Durchbrüche in der Erforschung von Proteinen haben Anwendungen in einer Reihe von Bereichen, von der Erkennung und Behandlung von Krankheiten bis hin zur Umweltsanierung und Kohlenstoffbindung. An der EPFL interessiert sich eine wachsende Zahl von Studierenden für das enorme Potenzial dieser faszinierenden Moleküle.
