Künstliche Intelligenz kann inzwischen nicht nur die Struktur von Proteinen vorhersagen, sondern auch völlig neue Enzyme mit gezielt ausgewählten Funktionen entwickeln. Wissenschaftler der University of Washington haben zwei unterschiedliche Gruppen künstlicher Proteasen konstruiert, die Eiweißmoleküle an bestimmten Stellen durchtrennen können. Die Forscher konnten unter anderem Proteinabschnitte spalten, die mit Alzheimer und der neurodegenerativen Erkrankung ALS in Verbindung stehen. Einige der neu entwickelten Enzyme funktionierten sogar innerhalb lebender menschlicher Zellen im Labor. Damit eröffnet sich eine neue Möglichkeit, biologische Prozesse gezielt auf molekularer Ebene zu verändern.
Proteine übernehmen im menschlichen Körper zahlreiche Aufgaben. Sie ermöglichen chemische Reaktionen, transportieren Stoffe, stabilisieren Zellstrukturen und steuern biologische Signale. Fehlerhafte Proteine oder eine gestörte Verarbeitung bestimmter Eiweißmoleküle können jedoch zur Entstehung schwerer Krankheiten beitragen. Deshalb versuchen Wissenschaftler seit Langem, krankheitsrelevante Proteine gezielt zu beeinflussen.
Viele Medikamente erreichen dies, indem sie an bestimmte Moleküle binden und deren Funktion verändern. Ein Forschungsteam um den Biochemiker David Baker vom Institute for Protein Design der University of Washington verfolgt nun einen anderen Ansatz. Mithilfe künstlicher Intelligenz entwickelten die Wissenschaftler vollständig neue Enzyme, die zuvor ausgewählte chemische Bindungen innerhalb anderer Proteine aufbrechen können. Diese molekularen Werkzeuge werden als Proteasen bezeichnet.
Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren. Zwischen den einzelnen Bausteinen befinden sich sogenannte Peptidbindungen, die chemisch sehr stabil sind. Unter gewöhnlichen Bedingungen können solche Bindungen in wässriger Umgebung außerordentlich lange bestehen bleiben. Damit eine Proteinstruktur kontrolliert zerlegt werden kann, muss eine passende chemische Reaktion deshalb stark beschleunigt werden.
In lebenden Organismen übernehmen natürliche Proteasen diese Aufgabe. Sie besitzen spezielle Bereiche, die bestimmte Aminosäurefolgen erkennen und die notwendige Spaltungsreaktion katalysieren. Dabei entsteht ein räumlich genau abgestimmtes Zusammenspiel aus dem Zielprotein, reaktiven Gruppen und teilweise zusätzlichen Metallionen. Bereits geringe Abweichungen in der Position einzelner Atome können die Wirksamkeit erheblich verringern.
Die Entwicklung künstlicher Proteasen war deshalb besonders schwierig. Zwar können moderne KI-Modelle inzwischen zahlreiche Proteinstrukturen entwerfen, doch eine passende Form allein genügt nicht. Damit ein neu konstruiertes Enzym tatsächlich eine chemische Bindung durchtrennt, müssen das katalytische Zentrum und die Bindungsstelle für das Zielprotein auf atomarer Ebene zusammenpassen.
Die Forscher der University of Washington verwendeten deshalb neuere KI-Verfahren, die nicht nur die allgemeine Proteinform, sondern auch die räumliche Anordnung der für die Katalyse benötigten Bestandteile berücksichtigen. Ihre Ergebnisse wurden in zwei eigenständigen Studien im Fachjournal Nature beschrieben.
In einer der beiden Untersuchungen entwickelten die Wissenschaftler künstliche Metalloproteasen. Diese Enzyme verwenden ein Metallion, um eine chemische Reaktion zu ermöglichen. Im konkreten Fall konstruierten die Forscher aktive Zentren mit Zinkionen, die Wassermoleküle für die Spaltung einer Peptidbindung aktivieren können.
Für die Entwicklung nutzten sie unter anderem das KI-basierte Proteindesignverfahren RFdiffusion. Das System erzeugte neue Proteinstrukturen, in denen ein geeignetes katalytisches Zentrum unmittelbar neben einer Bindungsstelle für eine ausgewählte Aminosäuresequenz angeordnet war. Die Proteine wurden anschließend hergestellt und experimentell auf ihre tatsächliche Funktion getestet.
Von insgesamt 135 überprüften Entwürfen zeigten 36 Prozent die gewünschte katalytische Aktivität gegenüber ihren jeweiligen Zielsequenzen. Die erfolgreichsten Varianten beschleunigten die Spaltung einer Peptidbindung um mehr als das Hundertmillionenfache gegenüber der entsprechenden Reaktion ohne Katalysator. Durch vier zusätzliche Veränderungen an einem besonders aktiven Entwurf ließ sich die Beschleunigung sogar auf mehr als das Zehnmilliardenfache steigern.
Diese Zahlen beschreiben die Geschwindigkeit der jeweiligen chemischen Reaktion im Vergleich zum unkatalysierten Prozess. Sie bedeuten nicht, dass ein krankheitsrelevantes Protein im menschlichen Körper entsprechend schneller beseitigt wird. Die tatsächliche Wirksamkeit innerhalb biologischer Systeme hängt zusätzlich davon ab, ob ein Enzym sein Ziel erreicht, ausreichend lange stabil bleibt und unerwünschte Reaktionen vermeidet.
Die zweite Forschungsgruppe wählte einen anderen chemischen Mechanismus. Anstelle eines Metallions verwendeten die Forscher die Aminosäure Cystein als reaktiven Bestandteil des katalytischen Zentrums. Cystein besitzt eine schwefelhaltige Gruppe, die unter geeigneten Bedingungen chemische Bindungen angreifen kann. Entsprechende natürliche Enzyme sind bereits aus zahlreichen biologischen Prozessen bekannt.
In dieser Untersuchung wurden 69 künstliche Proteaseentwürfe experimentell überprüft. Bei 13 davon konnten die Wissenschaftler eine gezielte Spaltungsaktivität nachweisen. Das entspricht einer Erfolgsquote von ungefähr 19 Prozent. Die aktivsten Konstruktionen beschleunigten die untersuchte chemische Reaktion gegenüber dem unkatalysierten Prozess um das bis zu Dreißigmillionenfache.
Bemerkenswert war, dass die künstlich entwickelten Enzyme teilweise eine deutlich andere räumliche Faltung besaßen als bekannte natürliche Proteasen. Die Wissenschaftler überprüften die tatsächliche Struktur mehrerer Varianten mithilfe der Röntgenkristallografie. Bei sechs untersuchten Proteinen stimmten die experimentell bestimmten Strukturen eng mit den zuvor berechneten Modellen überein.
Ein weiterer wichtiger Schritt gelang in Zellkulturen. Die künstlichen Cystein-Proteasen konnten dort ausgewählte Zielproteine innerhalb lebender Säugetierzellen spalten. Damit wurde gezeigt, dass die neu konstruierten Enzyme nicht ausschließlich mit gereinigten Molekülen unter vereinfachten Laborbedingungen funktionieren. Allerdings sagt dieser Nachweis noch nichts darüber aus, ob sie sich als sichere Medikamente einsetzen lassen.
Besonders interessant sind die neuen Methoden für Krankheiten, bei denen bestimmte Proteine eine entscheidende Rolle spielen. Dazu gehört Alzheimer, bei dem unter anderem Amyloid-beta an krankhaften Ablagerungen beteiligt ist. Auch bei der amyotrophen Lateralsklerose, kurz ALS, können Veränderungen in der Verarbeitung bestimmter Eiweißmoleküle auftreten. Ein wichtiges Beispiel ist das Protein TDP-43, dessen fehlerhafte Verteilung und Ablagerung bei zahlreichen Patienten beobachtet wird.
Die Forscher konstruierten Metalloproteasen, die gezielt krankheitsrelevante Proteine beziehungsweise ausgewählte Abschnitte davon spalten konnten. Zu den untersuchten Zielen gehörten Amyloid-beta, TDP-43 und Serum-Amyloid-A. Letzteres spielt bei bestimmten Erkrankungen mit krankhaften Proteinablagerungen eine wichtige Rolle. Bei einzelnen entwickelten Proteasen erreichten die Wissenschaftler Reaktionsbeschleunigungen von bis zu einer Milliarde gegenüber dem unkatalysierten Prozess.
Das Besondere liegt in der grundsätzlichen Programmierbarkeit. Statt ein vorhandenes natürliches Enzym lediglich geringfügig zu verändern, können die Forscher eine gewünschte Zielsequenz festlegen und anschließend versuchen, eine dazu passende katalytische Proteinstruktur zu entwerfen. Damit könnten sich langfristig auch Proteine beeinflussen lassen, die für klassische Wirkstoffe schwer zugänglich sind.
Eine Behandlung von Alzheimer oder ALS wurde durch die Experimente jedoch nicht nachgewiesen. Die Untersuchungen fanden mit ausgewählten Proteinen, Modellsubstraten und Zellkulturen statt. Selbst wenn ein künstliches Enzym einen krankheitsrelevanten Proteinabschnitt zuverlässig schneiden kann, muss erst geklärt werden, ob diese Reaktion unter natürlichen Bedingungen einen medizinisch erwünschten Effekt auslöst.
Ein entscheidender Vorteil katalytisch aktiver Enzyme besteht darin, dass sie nach einer erfolgreichen Reaktion grundsätzlich erneut eingesetzt werden können. Ein klassischer Wirkstoff, der lediglich an ein Zielprotein bindet, bleibt dagegen häufig an dieses Molekül gebunden. Eine Protease kann ihr Ziel verändern und anschließend unter geeigneten Bedingungen weitere Moleküle bearbeiten.
Daraus ergibt sich theoretisch die Möglichkeit, mit vergleichsweise geringen Mengen eines Enzyms zahlreiche Zielproteine umzusetzen. Allerdings hängt die tatsächliche Effizienz von der Reaktionsgeschwindigkeit, der Stabilität des Enzyms und seiner Verteilung im Gewebe ab. Die Laborergebnisse erlauben deshalb noch keine verlässliche Aussage über spätere Medikamentendosierungen.
Die Wissenschaftler untersuchten außerdem, ob sich biologische Wirkstoffe durch gezielte Proteinspaltung aktivieren lassen. Dafür entwickelten sie Konstruktionen, bei denen bestimmte Signalproteine oder Rezeptorantagonisten zunächst durch eine zusätzliche Proteinstruktur blockiert werden. Erst wenn eine passende Protease die vorgesehene Stelle durchtrennt, wird die biologische Funktion freigesetzt.
Ein solcher Mechanismus könnte langfristig dazu dienen, medizinische Wirkstoffe räumlich oder zeitlich kontrollierter zu aktivieren. Denkbar wären Systeme, bei denen ein therapeutisches Protein erst unter bestimmten Bedingungen seine Funktion entfaltet. Bis daraus eine medizinische Anwendung entsteht, müssen jedoch noch viele Fragen zur Zielgenauigkeit, Sicherheit und Steuerbarkeit geklärt werden.
Die gezielte Spaltung eines Proteins ist ein besonders wirksamer Eingriff in biologische Abläufe. Gerade deshalb müssen künstliche Proteasen sehr genau zwischen ihrem vorgesehenen Ziel und anderen körpereigenen Molekülen unterscheiden. Unerwünschte Spaltungen könnten wichtige Zellfunktionen beeinträchtigen oder neue schädliche Proteinfragmente erzeugen.
Hinzu kommt die Frage, wie die Enzyme an ihren Wirkungsort gelangen sollen. Einige krankheitsrelevante Proteine befinden sich im Inneren von Zellen oder in schwer zugänglichen Geweben. Ein künstlich hergestelltes Protein muss dort nicht nur ankommen, sondern auch unter den jeweiligen biologischen Bedingungen aktiv bleiben. Gleichzeitig darf es keine unkontrollierte Immunreaktion auslösen.
Die beiden Untersuchungen zeigen daher vor allem einen Fortschritt in der gezielten Gestaltung chemischer Reaktionen. Das entscheidende Ergebnis ist nicht bereits ein neues Medikament, sondern der Nachweis, dass vollständig neu
