Mit biotechnologischen Methoden lassen sich Gene punktgenau verändern. Kleine Genome von Viren, Bakterien und Hefen haben Forschende sogar schon vollständig nachgebaut und teils sogar modifiziert. Ein neues Erbgut von Grund auf zu entwerfen, war bislang allerdings kaum möglich. „Selbst die einfachsten Genome sind äußerst komplex und können durch eine einzige Mutation lebensunfähig werden“, erklärt ein Team um Samuel King von der Stanford University in Kalifornien. „Dementsprechend ist das Design ganzer Genome bislang weitgehend unerreichbar geblieben.
Vollständige Genome per Sprachmodell
Doch nun haben King und seine Kollegen diese Hürde überwunden und mithilfe künstlicher Intelligenz vollständige Genome von Bakteriophagen erstellt. Dazu nutzten sie zwei Genom-Sprachmodelle namens Evo 1 und Evo 2. „Ähnlich wie andere Sprachmodelle anhand großer Textmengen trainiert werden, werden Genom-Sprachmodelle mithilfe von großen DNA-Datensätzen trainiert, die Millionen von Genomen aus allen Domänen des Lebens umfassen“, erklären die Forschenden. „Dies ermöglicht es diesen Modellen, die evolutionären Einschränkungen zu erlernen, die DNA-Sequenzen in der Natur prägen.“
Nach einer Feinabstimmung der Modelle auf Bakteriophagen wiesen King und sein Team die KI an, neuartige Phagengenome zu generieren. Als Entwurfsvorlage diente dabei das natürlich vorkommende Virus ΦX174, das das Darmbakterium Escherichia coli befällt. Aus tausenden von der KI vorgeschlagenen Genomen wählten die Forschenden rund 300 aus, die sie synthetisierten und im Labor testeten. Und tatsächlich: „16 der generierten Phagen erwiesen sich als lebensfähig und waren in der Lage, das Wachstum von E. coli zu hemmen“, berichtet das Team.
Wirksam gegen resistente Bakterien
Weitere Analysen ergaben, dass die künstliche Intelligenz wirklich neuartige Genome erzeugt und nicht einfach bestehende nachgebaut hat. „Die generierten Phagen unterschieden sich von allen bekannten natürlichen Phagen und wiesen De-novo-Mutationen, abweichende Gene und regulatorische Elemente sowie variable Genomlängen auf“, schreiben King und seine Kollegen. Einer der künstlich erzeugten Phagen nutzte beispielsweise in seiner Proteinhülle ein Verpackungsprotein eines evolutionär weit von ΦX174 entfernten Phagen. Vollkommen unabhängig vom natürlichen Vorbild sind die erzeugten Viren jedoch nicht: Alle lebensfähigen Varianten stimmten zu mehr als 90 Prozent mit der Vorlage überein.
Um das therapeutische Potenzial der KI-generierten Phagen zu testen, konfrontierten die Forschenden die 16 funktionsfähigen Phagen mit Escherichia-coli-Stämmen, die gegen natürliche ΦX174-Pagen resistent sind. „Ein Cocktail aus diesen künstlich erzeugten Phagen überwindet ΦX174-resistente Escherichia-coli-Stämme innerhalb kurzer Zeit“, berichtet das Team. „Durch künstliche Intelligenz generierte Phagentherapien könnten damit einen Ansatz gegen sich rasch weiterentwickelnde bakterielle Krankheitserreger liefern.“
Gefahr einer missbräuchlichen Nutzung
Doch die Entwicklung kann nicht nur medizinische Chancen eröffnen, sie birgt auch potenziell gravierende Sicherheitsrisiken. „Eine zentrale Befürchtung der internationalen Sicherheitsdiskussion um KI-Anwendungen in der Biotechnologie ist, dass sich über KI-Modelle Krankheitserreger wie pandemische Viren gezielt verbessern lassen oder sich gar völlig neue Erreger generieren und als biologische Waffen nutzen lassen – auch durch nichtstaatliche Akteure“, erklärt Harald König vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Um solche Risiken so weit wie möglich einzudämmen, haben King und sein Team in den Trainingsdaten der KI-Modelle gezielt Viren ausgespart, die Menschen, Tiere oder Pflanzen infizieren könnten. „Aber naheliegenderweise wäre genau der umgekehrte Weg derjenige zur Erzeugung gefährlicher, bisher nicht bekannter humanpathogener Viren“, warnt der nicht an der Studie beteiligte Mikrobiologe Mirko Himmel von der Universität Hamburg. „Es ist wichtig, diese Dual-Use-Aspekte nicht zu negieren.“
Wichtig seien deshalb neue internationale Sicherheitsvorschriften. „Bestehende Regulierungsrahmen reichen für die Überwachung der generativen Genomik nicht aus“, schreiben Thomas Inglesby und Moritz Hanke von der Johns Hopkins University in Baltimore in einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in Science veröffentlicht wurde. „Die Frage ist nicht mehr, ob es das generative Design viraler Genome geben wird“, betonen sie. „Die Frage ist, ob die Gesellschaft ein Aufsichtssystem aufbauen kann, das es ermöglicht, die Vorteile dieser Technologie zu nutzen und gleichzeitig zu verhindern, dass sie ernsthaften Schaden anrichtet.“
Quelle: Samuel King (Stanford University, Kalifornien, USA) et al., Science, doi: 10.1126/science.aec2657
