Die Veränderung eines einzigen Buchstabens unserer DNA kann manchmal die Funktionsweise einer Zelle verändern – und eine KI hat nun virtuell alle Möglichkeiten untersucht.
Unsere DNA enthält etwa 3 Milliarden Paare chemischer Buchstaben. An jeder Position kann ein Buchstabe durch einen der drei anderen ersetzt werden. Das ergibt nahezu 9 Milliarden mögliche Veränderungen. Die meisten haben keine nennenswerten Folgen, doch einige können ein Gen oder dessen Nutzung beeinträchtigen.
Molekulares Modell der DNA-Doppelhelix.
Bildnachweis: OpenStax Anatomy and Physiology — CC BY 4.0
Sie einzeln im Labor zu testen, wäre unrealistisch. Google DeepMind nutzte daher sein Modell für künstliche Intelligenz, AlphaGenome, um die möglichen Auswirkungen dieser 9 Milliarden Veränderungen im Voraus zu berechnen. Die Ergebnisse werden im AlphaGenome Atlas zusammengefasst, einer Datenbank mit etwa 1 Petabyte, also einer Million Gigabyte.
Konkret schätzt das Tool, was eine Veränderung der DNA im Inneren von Zellen bewirken könnte. Eine Mutation kann beispielsweise die Aktivität eines Gens verändern oder die Herstellung eines Proteins beeinträchtigen. Diese Hinweise können Forschern anschließend dabei helfen, die Mutationen auszuwählen, die tatsächlich untersucht werden sollen.
Um diese Auswahl zu erleichtern, erhält jede Veränderung außerdem einen sogenannten AVI-Score. Eine einzige Zahl fasst so die wahrscheinliche Bedeutung ihrer Auswirkungen zusammen. Dieser Schritt ist besonders nützlich, wenn ein Patient mit einer seltenen Krankheit Tausende genetische Unterschiede aufweist und diejenigen gefunden werden müssen, die zusätzliche Analysen verdienen.
Das Interesse beschränkt sich nicht auf Gene, die direkt die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen liefern. Diese Bereiche machen nur etwa 2 % des Genoms aus. Die übrigen 98 % sind unter anderem an der Steuerung der Genaktivität beteiligt. Der AlphaGenome Atlas ermöglicht es ebenfalls, Veränderungen in diesem großen Teil der DNA zu untersuchen.
Forscher haben einige Vorhersagen bereits mit Experimenten verglichen. Bei der Untersuchung einer ungeklärten seltenen Krankheit half das Tool insbesondere dabei, eine mit dem Gen DNM1 verbundene Mutation zu identifizieren. Die Berechnungen deuteten darauf hin, dass sie die Art und Weise beeinträchtigte, wie die Zelle ihre Anweisungen vor der Herstellung eines Proteins zusammensetzt. Experimentelle Tests bestätigten anschließend diesen Effekt.
Der AlphaGenome Atlas bleibt in erster Linie ein Forschungsinstrument: Seine Vorhersagen ersetzen weder ein biologisches Experiment noch eine medizinische Diagnose. Die Datenbank ist nun über eine Weboberfläche und eine API kostenlos für akademische Forscher zugänglich. Sie können daher von einer bestimmten Mutation ausgehen, ihre möglichen Auswirkungen untersuchen und anschließend entscheiden, welche davon sie im Labor vorrangig testen wollen.