Es hat ein Ereignis in der wissenschaftlichen Welt gegeben, das zuvor eher der Science-Fiction vorbehalten schien: US-Wissenschaftler haben von der Erstellung vollständig funktionsfähiger Virusgenome mit Hilfe von künstlicher Intelligenz berichtet. Eine Gruppe von Forschern hat demonstriert, dass Algorithmen des maschinellen Lernens nicht nur biologische Daten analysieren, sondern auch neue, lebensfähige biologische Strukturen konstruieren können. Experimentelle Tests im Labor bestätigten, dass die von der KI erstellten Viren ihrem Zweck vollständig entsprechen – sie infizieren und zerstören die Zielbakterien erfolgreich.

Von Sprachmodellen zum Genomdesign

Die Grundlage dieses Durchbruchs liegt in der Verwendung genomischer Sprachmodelle Evo 1 und Evo 2. Ihr Funktionsprinzip ist dem von modernen großen Sprachmodellen (LLM), die wir zur Textgenerierung nutzen, ähnlich. Anstatt jedoch das nächste Wort in einem Satz vorherzusagen, prognostizieren diese Algorithmen die Sequenz der Nukleotide in einer DNA-Kette. Die Basismodelle wurden auf einer massiven Stichprobe trainiert, die mehr als zwei Millionen Phagengenoome umfasste. Um die Genauigkeit zu erhöhen, wurden sie zusätzlich auf einem spezialisierten Datensatz von 14.466 Sequenzen von Bakteriophagen der Familie Microviridae nachtrainiert.

Erfolg in der Petrischale: 16 lebensfähige Stämme

Der Prozess der Virenerstellung umfasste die Generierung von Tausenden von Genomvarianten, aus denen die Forscher die vielversprechendsten auswählten. Die Auswahlkriterien waren das Vorhandensein der notwendigen Gene, die korrekte Struktur und die Fähigkeit, den Laborstamm des Bakteriums Escherichia coli C zu infizieren. Nach der computergestützten Auswahl wurden Hunderte von Genomen als physikalische DNA synthetisiert. Von 285 getesteten Konstrukten führten 16 zur Entstehung lebensfähiger Bakteriophagen. Die Wissenschaftler merken an, dass im Labor sogar Applaus ertönte, als es offensichtlich wurde, dass die künstlichen Viren sich innerhalb der Bakterien zu vermehren begannen und Lyse – die Zerstörung der Bakterienzellen – verursachten.

Erstellung neuer Arten: genetische Unterschiede

Besonders bemerkenswert ist, dass einige der erstellten Viren sich erheblich von bekannten natürlichen Analoga unterscheiden. Jeder der erfolgreichen Stämme enthielt zwischen 67 und 392 neue Mutationen im Vergleich zum nächsten natürlichen Verwandten. Einer der synthetisierten Viren, der den Namen Evo-Φ2147 erhielt, weist nur 93 % Ähnlichkeit in der Nukleotidsequenz mit dem nächsten bekannten Phagen NC51 auf. Nach mehreren Kriterien kann er als völlig neue Art betrachtet werden, die in der Natur keine exakten Analoga hat.

Sicherheit und Anwendungsperspektiven

Es ist wichtig zu betonen, dass es sich ausschließlich um Bakteriophagen handelt – Viren, die Bakterien befallen, und nicht um Viren des Menschen. Als Basis diente der gut untersuchte Phage ΦX174, der bereits 1977 das erste vollständig sequenzierte Genom war. Das praktische Ziel dieser Technologie besteht in der Entwicklung neuer Mittel zur Bekämpfung von antibiotikaresistenten Bakterien, was neue Horizonte in der Arzneimittelentwicklung und im Schutz der menschlichen Gesundheit eröffnet. Dennoch wirft das Aufkommen von Werkzeugen, die es ermöglichen, Viren von Grund auf zu konstruieren, unvermeidlich Fragen zur Biosicherheit und zu ethischen Aspekten der Nutzung solcher mächtigen Technologien auf.