KI entwirft erste funktionale Viren, die in der Natur nicht vorkommen

Forscher der Stanford University und des Arc Institute haben künstliche Intelligenz eingesetzt, um 16 funktionale Viren mit Genomen zu entwerfen, die so in der Natur noch nie gesehen wurden. Wissenschaftler beschreiben dies als einen "sehr bedeutenden Wendepunkt" für die synthetische Biologie. Die Arbeit, die am Donnerstag in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, markiert das erste Mal, dass generative KI zur Erstellung vollständiger, lebensfähiger Virusgenome verwendet wurde.bbc+1

Funktionsweise

Das Team nutzte KI-Modelle namens Evo 1 und Evo 2, die ähnlich wie große Sprachmodelle wie ChatGPT funktionieren, jedoch genetische Sequenzen anstelle von Wörtern vorhersagen. Die Modelle wurden mit genetischen Daten von Viren, Bakterien, Pflanzen und Menschen trainiert und darauf optimiert, Bakteriophagen – Viren, die Bakterien befallen – zu entwerfen. Als Vorlage diente das natürlich vorkommende Virus Phi X-174, das ausschließlich E. coli infiziert.biorxiv+1

Von etwa 300 im Labor synthetisierten KI-generierten Genom-Designs erwiesen sich 16 als lebensfähig und konnten E. coli-Bakterien erfolgreich infizieren und abtöten. Mehrere der KI-designeten Phagen zeigten eine höhere Fitness als das natürliche Vorbild und konnten bakterielle Resistenzen überwinden, an denen der ursprüngliche Phage scheiterte.nytimes+2

"Dies ist das erste Mal, dass generative KI eingesetzt wurde, um ein vollständiges Genom zu entwerfen, das sich replizieren und andere zelluläre Funktionen ausführen kann", sagte Brian Hie, Assistenzprofessor an der Stanford University, gegenüber der BBC.bbc

Medizinisches Potenzial

Der Durchbruch eröffnet einen Weg zu neuen Behandlungen für antibiotikaresistente Infektionen. Ein Cocktail aus den KI-generierten Phagen überwand während der Tests schnell die Resistenz in drei E. coli-Stämmen, während das natürliche Virus allein vollständig versagte. Die Phagentherapie wird zunehmend als vielversprechender Ansatz zur Bekämpfung bakterieller Infektionen angesehen, die nicht mehr auf herkömmliche Antibiotika ansprechen.arcinstitute+2

Patrick Cai, Lehrstuhlinhaber für Genomik am Manchester Institute of Biotechnology, bezeichnete die Studie als "wichtigen Meilenstein" und merkte an, dass Genom-Sprachmodelle "beginnen, die durch die Evolution kodierten Designprinzipien zu erfassen".bbc+1

Bedenken zur Biosicherheit

In einem Kommentar zur Science-Publikation warnten Thomas Inglesby und Kollegen vom Johns Hopkins Center for Health Security, dass die Ergebnisse "dringende Sicherheitsfragen" aufwerfen. Sie erklärten, es sei keine Frage mehr, ob generatives Virusdesign kommen werde, sondern wie es fortgesetzt werden könne, "ohne ernsthaften Schaden zu ermöglichen".bbc

Die Forscher trafen Vorsichtsmaßnahmen, indem sie Viren, die komplexe Organismen infizieren können, aus ihren Trainingsdaten ausschlossen und ausschließlich mit Bakteriophagen in einer sicheren Laborumgebung arbeiteten. Die konstruierten Phagen-Genome umfassen etwa 5.400 Basenpaare – ein Bruchteil der rund 500.000 Basenpaare im Genom der kleinsten lebenden Zelle –, aber Hie deutete an, dass sein Team "definitiv daran interessiert ist, auf die Entwicklung komplexerer Organismen hinzuarbeiten".bbc