Eine künstliche Intelligenz hat die Entwicklung von Viren ermöglicht, die Bakterien infizieren und sich vermehren können. Von fast 300 hergestellten und anschließend getesteten Genomen führten 16 zu funktionsfähigen Viren. Mehrere erwiesen sich in bestimmten Experimenten mit Escherichia coli sogar als wirksamer als ihr natürliches Vorbild.
Diese Viren sind Bakteriophagen, oft einfach Phagen genannt. Sie greifen keine menschlichen Zellen an: Ihr Ziel ist ein bestimmtes Bakterium. Wenn ein Phage sein Ziel infiziert, nutzt er dessen Zellmaschinerie, um neue Viruspartikel herzustellen. Das Bakterium wird meist zerstört, was das medizinische Interesse an diesen Viren gegen bestimmte bakterielle Infektionen erklärt.
Darstellung eines Phagen, der an einem Bakterium befestigt ist.
© Adrien Bernheim
Für dieses Experiment nutzten Samuel King und seine Kollegen Evo 1 und Evo 2, Modelle künstlicher Intelligenz, die mit Gensequenzen trainiert wurden. Ihre Funktionsweise erinnert an Modelle, die die Fortsetzung eines Textes vorhersagen. Hier sind die verarbeiteten Elemente jedoch die Buchstaben der DNA. Ziel war es, vollständige Genome zu erzeugen, deren Organisation mit der eines funktionsfähigen Virus vereinbar ist.
Ausgangspunkt war ΦX174, ein kleiner, gut erforschter natürlicher Phage, der E. coli infiziert. Die Modelle erzeugten zahlreiche Varianten seines Genoms. Anschließend wählten die Wissenschaftler Kandidaten aus, um sie herzustellen und experimentell zu überprüfen, ob sie tatsächlich Viren bilden konnten, die Bakterien infizieren können.
Sechzehn Kandidaten bestanden diese Prüfung.
Ihr Interesse beruht nicht nur darauf, dass sie funktionieren. Mehrere besitzen Gensequenzen, die sich deutlich von denen des natürlichen Phagen unterscheiden, der als Referenz diente. Die Untersuchung eines von ihnen mit einem Elektronenmikroskop zeigte außerdem, dass ein sehr anderes DNA-Verpackungsprotein verwendet wird als das bei ΦX174 vorkommende. Die KI hat das Ausgangsvirus also nicht einfach reproduziert.
Anschließend stellten die Wissenschaftler einige der erzeugten Phagen ihrem natürlichen Vorbild gegenüber. Mehrere vermehrten sich in den Konkurrenzexperimenten effizienter oder zerstörten die Bakterien schneller. Eine Mischung aus KI-entworfenen Phagen konnte außerdem drei E.-coli-Stämme angreifen, die gegen ΦX174 resistent geworden waren. Diese Resistenz ist ein häufiges Problem: Ein Bakterium kann sich weiterentwickeln und für das Virus, das es zuvor infiziert hat, nicht mehr anfällig sein.
Das erwartete Interesse betrifft insbesondere die Phagentherapie, bei der Phagen zur Bekämpfung krankheitserregender Bakterien eingesetzt werden. Dieser Ansatz wird als mögliche Ergänzung zu Antibiotika untersucht, insbesondere wenn Bakterien gegen Medikamente resistent werden.
Die nächste Frage wird sein, ob sich diese Methode auf andere Phagenfamilien und auf medizinisch relevante bakterielle Zielorganismen ausweiten lässt. Die Autoren stellen ihre Arbeit vor allem als Machbarkeitsnachweis dar: Ein generatives Modell kann nun ein vollständiges Virusgenom vorschlagen und anschließend unter seinen Schöpfungen nach einer Validierung im Labor tatsächlich funktionsfähige Viren hervorbringen.