Stanford-Forscher entwickeln weltweit ersten KI-Virus
Künstliche Intelligenz macht rasante Fortschritte in der computergestützten Biologie. Kürzlich haben Forscher der Stanford University und des Arc Institute das weltweit erste vollständig von KI generierte Genom erstellt, das einen Virus darstellt, der Bakterien infizieren und abtöten kann.
Wissenschaftler haben KI bereits genutzt, um einzelne Proteine oder kleine Systeme mit mehreren Genen zu entwerfen. Die Erstellung eines gesamten Genoms ist jedoch weitaus komplexer. Einfach ausgedrückt muss ein Genom zahlreiche interagierende Gene und regulatorische Schalter enthalten, die es einem Organismus ermöglichen, zu wachsen, sich zu replizieren und zu überleben. Bislang war es für Wissenschaftler eine enorme Herausforderung, all diese Elemente harmonisch zusammenzufügen.
„Der Genom-Entwurf erfordert die Orchestrierung mehrerer interagierender Gene und regulatorischer Elemente, während ein Gleichgewicht gewahrt werden muss, das Replikation, Wirtsspezifität und evolutionäre Fitness ermöglicht. Diese Zunahme an Komplexität führt zu neuen Einschränkungen und Fehlermodi, die bei der Gestaltung eines einzelnen Proteins oder eines Zweikomponentensystems nicht auftreten“, erklärte das Team in einem Beitrag auf arcinstitute.org.
Wie haben sie das geschafft?
Als Testfall wählten die Forscher den winzigen Virus Bacteriophage ΦX174 (ausgesprochen phi-X-174). Dieser Virus infiziert E.-coli-Bakterien und besitzt ein kleines, aber kniffliges Genom – 5.386 DNA-Buchstaben und 11 Gene, von denen die meisten sich überlappen. Dieser Virus war auch das erste Genom, das 1977 vollständig sequenziert wurde, und das erste, das 2003 vollständig synthetisiert wurde. Nun ist es das erste, das von KI entworfen wurde.
Zur Schulung der KI nutzten die Wissenschaftler ein genomisches Sprachmodell namens Evo, das auf Tausenden von Genomen aus der Familie dieses Virus feinabgestimmt wurde, sodass es den „Dialekt“ von ΦX174 beherrschte. Mithilfe von Prompts generierte die KI Tausende von Kandidatengenomen.
Das Team führte eine Reihe von Qualitätsprüfungen und Labortests durch. Sie entwickelten eine benutzerdefinierte Software, um sicherzustellen, dass jeder Entwurf alle Schlüsselgene und essenziellen Proteine enthielt, die für die Infektion von E. coli notwendig sind. Anschließend synthetisierten sie Hunderte dieser KI-Genome im Labor und testeten sie, indem sie sie in Bakterien einbrachten, um zu sehen, ob sie sich reproduzieren konnten. Daraufhin entstanden 16 neue funktionale Viren, von denen jedes Dutzende bis Hunderte von Mutationen aufwies, die in der Natur nie beobachtet wurden.
Ein herausragender Entwurf übernahm sogar ein DNA-Verpackungsprotein von einem entfernten Verwandten – etwas, das menschliche Ingenieure zuvor versucht und gescheitert waren. Kryo-Elektronenmikroskopie bestätigte, dass das neuartige Protein in die Virushülle passte und funktionierte.
Die Wissenschaftler hatten Evo auf 2 Millionen Viren trainiert und forderten es dann auf, brandneue zu entwerfen. Von 302 Versuchen erwiesen sich 16 in Labortests als funktional. Die KI-Viren enthielten 392 Mutationen, die in der Natur nie vorkamen, einschließlich Kombinationen, die Wissenschaftler zuvor vergeblich versucht hatten zu erzeugen. Als Bakterien Resistenzen gegen natürliche Viren entwickelten, durchbrachen die KI-entworfenen Versionen diese Abwehr in Tagen, wo traditionelle Viren scheiterten.
Dies ist ein signifikanter Durchbruch, der eine neue Phase in der Biotechnologie einleitet. Von der Lesung von DNA (Sequenzierung) über das Schreiben (Synthese) bis hin zum Entwerfen – dies ist ein neuer Meilenstein. In einer Zeit, in der KI Bereiche wie Bildung, Produktivität und verschiedene Formen der Kreativität neu definiert, zeigt eine solche Entwicklung, wie weit wir gekommen sind. Der größte Erkenntnisgewinn ist das grenzenlose Potenzial der KI, wissenschaftliche Entdeckungen und Durchbrüche zu beschleunigen.
