Forschungsteam verbindet Künstliche Intelligenz (KI) und biophysikalische Modellierung für innovatives Proteindesign

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Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Leipzig und das
sächsische KI-Zentrum ScaDS.AI haben einen neuen Ansatz entwickelt, der
Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) und der biophysikalischen
Modellierung miteinander kombiniert.

Diese neue Herangehensweise kann für
die die Entwicklung neuer Wirkstoffe, wie Antikörper und Vakzine,
beispielsweise für die Pandemievorsorge angewendet werden. Das
Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Vanderbilt University,
USA/Nashville, ist das Ergebnis intensiver Vorarbeiten zu
computergestützter Wirkstoffentwicklung. Die Studie wurde jetzt im
Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

In der aktuellen Forschungslandschaft im Bereich des computergestützten
Proteindesigns herrsche eine regelrechte Goldgräberstimmung, in der viele
neue Methoden ohne experimentelle Validierung veröffentlicht werden. Dies
führe häufig zu falschen Einschätzungen über die Leistungsfähigkeit von
KI-Modellen. „Wir benötigen dringend Standards für die Beschreibung und
Verfügbarkeit solcher Modelle“, so Prof. Dr. Clara Schoeder,
Arbeitsgruppenleiterin am Institut für Wirkstoffentwicklung. „Unsere
Forschungsarbeit leistet einen wichtigen Beitrag zu diesem Ziel.“ Die
aktuellen Studienergebnisse zeigen, dass KI-Methoden besonders gut darin
sind, Sequenzen vorzuschlagen, die die Faltung von Proteinen nicht stören.
Allerdings haben sie Schwierigkeiten, die Auswirkungen einzelner
Aminosäureveränderungen auf die Faltung präzise zu beurteilen. „Unsere
Erkenntnisse verdeutlichen, dass kein KI-Modell und keine biophysikalische
Methode für alle Designprobleme optimal geeignet ist“, erklärt Humboldt-
Professor Dr. Jens Meiler, einer der leitenden Wissenschaftler des
Projekts. „Zukünftig müssen wir sorgfältig abwägen, welches Modell für
welchen Zweck eingesetzt wird. Unsere Arbeit ist ein erster Schritt in
Richtung mehr Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Methoden“,
erläutert der Direktor des Instituts für Wirkstoffentwicklung Meiler.

Die biophysikalische Softwaresuite Rosetta, die seit vielen Jahren in der
Proteinforschung eingesetzt wird, dient als Framework für die Integration
verschiedener KI-Methoden. Rosetta wird von über 100 Laboren weltweit
unterstützt und ermöglicht es den Forschenden, verschiedene Ansätze – wie
Large Language Modelle (zum Beispiel ESM-2) und das Modell ProteinMPNN
zusammen mit biophysikalischen Methoden – effizient zu kombinieren. Diese
Kombination erlaubt es den Forschenden, die unterschiedlichen
Verhaltensweisen der Designansätze zu vergleichen und zu analysieren. „Mit
dieser Entwicklung können wir KI-Modelle schnell und unkompliziert mit
klassischen Methoden verbinden und sie nebeneinander verwenden“, erklärt
Prof. Dr. Jens Meiler. „Das vereinfacht unsere Arbeit erheblich und
ermöglicht es uns, die gesamte Infrastruktur, die in den letzten 20 Jahren
in Rosetta entwickelt wurde, optimal zu nutzen.“

Das Forschungsprojekt ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Die
Arbeitsgruppen von Meiler und Schoeder werden die entwickelten Algorithmen
weiter verfeinern und experimentell evaluieren, insbesondere im Hinblick
auf das Vakzindesign zur Pandemievorsorge. „Wir untersuchen, welche
Methoden verlässlich Aminosäureveränderungen vorschlagen, die in
Impfstoffkandidaten resultieren können“, so Arbeitsgruppenleiterin Prof.
Dr. Clara Schoeder. Trotz der Fortschritte, die durch den Einsatz von KI
erzielt werden, bleibt das sogenannte „Scoring“-Problem eine
Herausforderung. Dies bezieht sich auf die Schwierigkeit, den Effekt eines
einzelnen Aminosäureaustauschs vorherzusagen. In Zusammenarbeit mit dem
Zentrum für skalierbare Datenanalyse und Künstliche Intelligenz ScaDS.AI
ist das Forschungsteam optimistisch, dass die Kombination von KI und
biophysikalischen Methoden nicht nur die Effizienz im Proteindesign
steigern wird.

Hintergrund:
ScaDS.AI ist ein Forschungszentrum für Data Science, Künstliche
Intelligenz und Big Data mit Standorten in Leipzig und Dresden. Als eines
von fünf neuen KI-Zentren in Deutschland wird ScaDS.AI seit 2019 im Rahmen
der KI-Strategie des Bundes gefördert und vom Bundesministerium für
Bildung und Forschung (BMBF) sowie vom Freistaat Sachsen unterstützt.