🧬 Diese biologische KI beschleunigt die natürliche Selektion

Australische Forscher haben eine Form biologischer künstlicher Intelligenz entwickelt, ein System, das die molekulare Evolution direkt in lebenden Zellen beschleunigen kann. Dieser Durchbruch, genannt PROTEUS, eröffnet neue Perspektiven für die personalisierte Medizin und Gentherapien.

Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die auf Bakterien beschränkt sind, arbeitet PROTEUS in Säugetierzellen und reproduziert in wenigen Wochen einen Prozess, der in der Natur viel länger dauern würde. Diese gezielte "Evolutionsmaschine" ermöglicht die Entwicklung maßgeschneiderter Moleküle, die auf biologische Herausforderungen abgestimmt sind.

PROTEUS: ein Beschleuniger der zellulären Evolution

Das System basiert auf der gerichteten Evolution, einer Technik, die 2018 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. PROTEUS übernimmt dieses Prinzip und umgeht gleichzeitig die Grenzen bakterieller Modelle. Säugetierzellen bieten eine dem Menschen nähere Umgebung, was für medizinische Anwendungen entscheidend ist.

Um Verzerrungen zu vermeiden, nutzten die Wissenschaftler chimäre Viruspartikel. Diese Mischung aus zwei verschiedenen Viren gewährleistet die Stabilität des Systems. So testen die Zellen Millionen von molekularen Varianten und selektieren die effektivsten.

Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass PROTEUS bereits bekannte biologische Mechanismen verbessern kann. Beispielsweise erzeugte es eine optimierte Version des Proteins rtTA, das seine Empfindlichkeit gegenüber einem Medikament um den Faktor 6 erhöhte. Diese Optimierungen verdeutlichen sein Potenzial zur Verfeinerung therapeutischer Werkzeuge.

Anwendungen: von der Genbearbeitung bis zur Krebserkennung

PROTEUS hat bereits Nanokörper hervorgebracht, die DNA-Schäden erkennen können – ein Schlüsselindikator für Krebs. Eine spezifische Mutation (S26P) erhöhte ihre Präzision im Zellkern, wie Tests mit Chemotherapeutika zeigten.

Das System könnte auch CRISPR oder mRNA-Impfstoffe verbessern. Indem es therapeutische Moleküle direkt in menschlichen Zellen anpasst, umgeht es die Fallstricke vereinfachter Modelle. Sein Open-Source-Charakter fördert eine breite Nutzung durch die wissenschaftliche Gemeinschaft.

Die Forscher untersuchen nun seine Anpassung an andere Zelltypen. Langfristig könnte PROTEUS die gezielte Behandlung spezifischer Gewebe oder Krankheiten ermöglichen und dabei Geschwindigkeit mit physiologischer Relevanz verbinden.

Vertiefung: Was ist gerichtete Evolution?

Die gerichtete Evolution reproduziert im Labor die Schlüsselmechanismen der natürlichen Selektion – zufällige Mutationen und Selektionsdruck – jedoch beschleunigt und gezielt. Im Gegensatz zur natürlichen Evolution, die über geologische Zeiträume wirkt, ermöglicht diese Technik die Optimierung von Biomolekülen in nur wenigen Wochen. Forscher können so Enzyme, Antikörper oder andere Proteine "entwickeln", um ihnen spezifische Eigenschaften zu verleihen.

Dieser Ansatz wurde durch die Arbeiten von Frances Arnold revolutioniert, die 2018 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. Ihr Team zeigte, dass die Evolution von Proteinen gesteuert werden kann, um stabilere oder aktivere Industrieenzyme zu erhalten. Heute wird die gerichtete Evolution zur Entwicklung von Biokraftstoffen, umweltfreundlichen Reinigungsmitteln oder wirksameren Medikamenten genutzt.

Die große Innovation von PROTEUS liegt in seiner Anwendung auf Säugetierzellen, eine weitaus komplexere Umgebung als die traditionell verwendeten Bakterien. Das System kann so Moleküle produzieren, die perfekt auf die Funktionsweise des menschlichen Körpers abgestimmt sind. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für präzisere Therapien und zuverlässigere Diagnosewerkzeuge.