Google AlphaFold: Durchbruch für die biologische Forschung

In Zeiten von Corona rücken die biologische Forschung und die Entwicklung von Medikament und Impfstoffen wieder stärker ins Bewusstsein der Menschen. Grundlegend für viele Fragestellungen sind hierbei Proteine. Diese kleinen molekularen “Maschinen” tummeln sich zu tausenden in unseren Zellen und sorgen dafür, dass wir überhaupt erst “funktionieren” und am Leben sind. Doch um Proteine und ihre Funktion verstehen zu können, ist die Aufklärung ihrer 3D-Struktur unerlässlich. Dieser Prozess ist bislang jedoch nicht nur zeitaufwendig, sondern auch sehr komplex und nicht immer von Erfolg gekrönt. Mit AlphaFold ist Google nun ein wichtiger Durchbruch gelungen, welcher die Entwicklung von Medikamenten und die Grundlagenforschung in Zukunft enorm beschleunigen könnte.

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AlphaFold bestimmt 3D-Struktur eines Proteins basierend auf der Aminosäuresequenz

Einige unter euch werden sich sicherlich noch an den Biologie-Unterricht in der Schule erinnern. Unsere DNA, sozusagen unser Bauplan, wird in mehreren Schritten in eine Abfolge von Aminosäuren übersetzt. Diese Kette wiederum bildet eine einzigartige 3D-Struktur aus, welche für jedes Protein einzigartig ist. Diese Struktur bestimmt die Funktion des Proteins und ist wichtig, um das Protein in seiner Gänze verstehen zu können. Proteine sind auch als Ziel von Medikamenten von Interesse. So kommt diesem strukturgebundenen Ansatz der Antibiotika-Forschung in Zeiten von steigenden Resistenzen eine immer wichtigere Bedeutung zu. Dabei werden gezielt Kandidaten gesucht, welche ausgewählte Zielstrukturen innerhalb eines Proteins treffen sollen. Dadurch könnten zum Beispiel wichtige Proteine im Energiestoffwechseln pathogener Bakterien gezielt ausgeschaltet werden.

Die Bestimmung der 3D-Struktur eines Proteins ist jedoch enorm kompliziert und sehr zeitraubend. Wir arbeiten bei uns in der Forschungsgruppe aktuell ebenfalls mit Proteinstrukturen und bestimmen diese durch die sogenannte Kristallisation. Dabei werden einfach gesprochen die Proteine in einen Kristall umgewandelt und dieser kann dann mit Hilfe von Strahlenphysik untersucht werden. Basierend darauf erhält man ein Modell der Elektronenverteilung und kann anhand dieser die dort sitzenden Aminosäuren “hineinlegen”. Klingt kompliziert und ist es auch. Darüber hinaus sind manche Proteine hartnäckig und lassen sich nicht so einfach kristallisieren. Dieses Problem bei der Bestimmung der 3D-Struktur von Proteinen wird daher in der Forschung auch das “protein folding problem” genannt.

Google ist mit AlphaFold bereits länger Teil einer Community, welches dieses Problem lösen möchte. Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz möchte es Google ermöglichen, die komplexe Struktur eines Proteins nur auf Basis der Aminosäuresequenz zu ermitteln. Um dies zu erreichen fütterten sie das KI-System mit den Sequenzen und bekannten Strukturen von 100,000 bekannten Proteinen. Mit der neuesten Version scheint nun der Durchbruch gelungen zu sein, da AlphaFold die Form eines Proteins sehr genau vorhersagen kann. So kam AlphaFold auch bei der Aufklärung einzelner SARS-CoV-2 Proteinen zum Einsatz und die Ergebnisse deckten sich mit parallel ausgeführten klassischen Experimenten.

Die Arbeit von AlphaFold darf ohne Übertreibung als ein wichtiger Durchbruch in der biologischen und medizinischen Forschung gesehen werden. Die schnelle und einfache Aufklärung der 3D-Struktur von Proteinen wird nicht nur bei der Suche nach neuen Medikamenten für enorme Verbesserungen sorgen, sondern auch bei der Grundlagenforschung und dem generellen Verständnis des Lebens auf unserem Planeten.

Quelle: DeepMind