Wissenschaftlicher Durchbruch 2021: Zwei Algorithmen knacken den Protein-Code

Von künstlichen Antikörpern bis zu Genscheren - das Fachmagazin Science kürt neun wissenschaftliche Durchstarter des vergangenen Jahres. Als der Durchbruch 2021 werden jedoch zwei Algorithmen zur Vorhersage von Proteinstrukturen ausgezeichnet, die neue Möglichkeiten in der Medikamentenentwicklung eröffnen könnten.(1)

Mit Spannung wartet man in der Forschungscommunity immer kurz vor Weihnachten auf den Rückblick der Fachzeitschrift Science, die als Highlight den Scientific Breakthrough – also den wissenschaftlichen Durchbruch – sowie die neun Runners up (Durchstarter) unter den Entdeckungen des zurückliegenden Jahres kürt. Zum ersten Mal seit drei Jahren waren sich Jury und Publikum wieder über den Scientific Breakthrough einig: Sowohl die Fachexpert:innen als auch das Publikum stimmten mehrheitlich für zwei Algorithmen, mit denen die 3D-Struktur von Proteinen vorhergesagt werden kann. Weil damit völlig neue Möglichkeiten für die biochemische Grundlagenforschung eröffnet werden, aber auch die Entwicklung von Medikamenten deutlich beschleunigt werden könnte, sprechen einige Wissenschaftler:innen sogar von einer Revolution der Biologie.(1)

Proteine sind die molekularen Werkzeuge des Lebens. Sie haben vielfältige Aufgaben, katalysieren als Enzyme alle Stoffwechselreaktionen, bauen als Strukturproteine die Zellen auf oder sind als Antikörper unser wichtigster Schutz gegen Infektionserreger. Entscheidend für ihre Funktion ist dabei ihre 3D-Struktur – man spricht auch von der Proteinfaltung.

Zwar ist durch große Sequenzierungsprojekte wie das Humangenomprojekt der Bauplan der meisten Proteine in Gestalt ihrer Aminosäuresequenz bekannt, die Faltung lässt sich jedoch nur mit langwierigen und teuren Methoden experimentell bestimmen. Dabei ist gerade das Wissen um die Proteinstruktur von entscheidender Bedeutung, etwa um Interaktionen zwischen Proteinen zu verstehen oder um Wirkstoffmoleküle zu designen, die spezifisch an bestimmte Stellen im Protein binden. Deshalb ist es ein lang gehegter Traum, die Faltung allein auf Basis der Aminosäuresequenz vorhersagen zu können.(2)

Diesen Traum haben nun sowohl ein Team der britischen Firma DeepMind mit ihrem Programm AlphaFold 2 als auch eine internationale Forscher:innengruppe, die den Algorithmus RoseTTAFold entwickelt hat, wahr werden lassen. Beides sind Softwares für künstliche Intelligenz, die mit hunderttausenden bekannten Proteinstrukturen trainiert wurden. Die erhaltenen Modelle sind so gut, dass die von ihnen vorhergesagten 3D-Strukturen für neue Proteine in vielen Fällen mit den experimentellen Daten übereinstimmen – eine bisher unerreichte Genauigkeit. Außerdem hat DeepMind in Kooperation mit dem europäischen Bioinformatik-Institut für fast alle menschlichen Proteine die Struktur vorhergesagt und in einer frei zugänglichen Datenbank veröffentlicht.(3)

Zwar gelingt den Programmen nicht immer diese hohe Qualität der Modelle, und auch die Strukturen von Protein-gebundenen Wirkstoffen lassen sich so noch nicht bestimmen. Dennoch werden AlphaFold 2 und RoseTTAFold viele Laborexperimente ersetzen können. In der Arzneimittelforschung erhofft man sich deshalb, nicht nur schneller zu neuen Molekülkandidaten zu kommen, sondern diese auch besser zu designen sowie bisher schwer untersuchbare Proteine als Zielstrukturen für die Medikamentenentwicklung nutzen zu können.

Neben dem wissenschaftlichen Durchbruch sind die Lebenswissenschaften auch unter den Durchstartern aus 2021 wieder stark vertreten, denn sechs der neun von Science gewählten Runners-up sind Ergebnisse aus Biologie und Medizin:

Ebenfalls als Runners up ausgezeichnet wurden auch drei Forschungsergebnisse aus der Astrophysik, darunter Daten eines Roboters der NASA, der erstmals einen Blick in die Zusammensetzung des Marskerns lieferte. Außerdem zählen auch ein Experiment mit einem Fusionsreaktor in den USA sowie neueste Erkenntnisse, nach denen das Elementarteilchen Myon einen höheren Magnetismus hat, als das Standardmodell der Teilchenphysik vorhersagt, zu den Runners-up 2021.