Die Herstellung von proteinbasierten Medikamenten auf Basis synthetischer DNA ist häufig teuer und langwierig. Forscher haben nun eine Methode entwickelt, um diesen Prozess zu verkürzen.
Mit Hilfe einer KI ist es Forschern der Chalmers University of Technology in Schweden gelungen, synthetische DNA zu entwickeln, die die Proteinproduktion der Zellen steuert. Die Technologie kann zur Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen und Arzneimitteln für schwere Krankheiten sowie alternativen Nahrungsproteinen beitragen – und das viel schneller und zu deutlich niedrigeren Kosten als bisher.
Die meisten der heutigen neuen Medikamente basieren auf Proteinen, aber die Techniken für die Herstellung sind sowohl teuer als auch langsam, da es schwierig ist, zu kontrollieren, wie die DNA exprimiert wird. Letztes Jahr hat eine Forschungsgruppe in Chalmers unter der Leitung von Aleksej Zelezniak, Professor für Systembiologie, einen wichtigen Schritt getan, um zu verstehen, wie viel von einem Protein aus einer bestimmten DNA-Sequenz hergestellt wird.
„Zunächst ging es darum, die Anweisungen des DNA-Moleküls vollständig ‚lesen‘ zu können. Jetzt ist es uns gelungen, unsere eigene DNA zu entwerfen, die die genauen Anweisungen zur Steuerung der Menge eines bestimmten Proteins enthält“, sagt Aleksej Zelezniak über den jüngsten Durchbruch der Forschungsgruppe.
Das Prinzip hinter der neuen Methode ist ähnlich wie bei der Erzeugung von Gesichtern durch KI, die wie echte Menschen aussehen. Indem sie lernt, wie eine große Auswahl von Gesichtern aussieht, kann die KI dann völlig neue, aber natürlich aussehende Gesichter erstellen. Es ist dann einfach, ein Gesicht zu verändern, indem man z. B. sagt, dass es älter aussehen oder eine andere Frisur haben soll. Ein glaubwürdiges Gesicht von Grund auf neu zu programmieren, wäre dagegen ohne den Einsatz von KI sehr viel schwieriger und zeitaufwändiger. In ähnlicher Weise wurde der KI der Forscher die Struktur und der regulatorische Code der DNA beigebracht. Die KI entwirft dann synthetische DNA, deren regulatorische Informationen sich leicht in die gewünschte Richtung der Genexpression verändern lassen.
„Die DNA ist ein unglaublich langes und komplexes Molekül. Daher ist es experimentell äußerst anspruchsvoll, Änderungen daran vorzunehmen, indem man sie iterativ abliest und verändert und dann wieder abliest und verändert. Auf diese Weise dauert es Jahre der Forschung, bis man etwas findet, das funktioniert. Stattdessen ist es viel effektiver, eine KI die Prinzipien der Navigation in der DNA lernen zu lassen. Was sonst Jahre dauert, verkürzt sich jetzt auf Wochen oder Tage“, sagt Erstautor Jan Zrimec, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Nationalen Institut für Biologie in Slowenien.
Die Forscher haben ihre Methode an der Hefe Saccharomyces cerevisiae entwickelt, deren Zellen Säugetierzellen ähneln. Der nächste Schritt ist die Verwendung menschlicher Zellen. Die Forscher hoffen, dass ihre Fortschritte Auswirkungen auf die Entwicklung neuer und bestehender Medikamente haben werden.
„Die Entwicklung von Medikamenten auf Proteinbasis für komplexe Krankheiten oder alternativen nachhaltigen Nahrungsproteinen kann viele Jahre dauern und extrem teuer sein. Manche sind so teuer, dass sich die Investition nicht rentiert, so dass sie wirtschaftlich nicht tragfähig sind. Mit unserer Technologie ist es möglich, Proteine viel effizienter zu entwickeln und herzustellen, so dass sie vermarktet werden können“, sagt Zelezniak.
Dieser Artikel basiert auf einer Pressemitteilung des Schwedischen Forschungsrat. Die Originalpublikation findet ihr hier und im Text.
Bildquelle: Annie Spratt, unsplash
