KI konstruiert neue biologische Viren

Ein Forschungsteam des Arc Institute in Palo Alto und der Stanford University hat eine Studie veröffentlicht, der zufolge eine künstliche Intelligenz (KI) neues biologisches Virenerbgut konstruiert hat. Die Studie stellt einen Durchbruch in der synthetischen Biologie dar.

Das Forscherteam entwickelte zunächst die auf biologisches Erbgut spezialisierten Sprachmodelle Evo 1 und Evo 2. Diese funktionieren ähnlich Text-KIs wie ChatGPT von OpenAI oder Gemini von Google, sind jedoch nicht mit Sprachmaterial, sondern mit DNA-Sequenzen trainiert, um Muster des genetischen Codes und Konstruktionsprinzipien des Erbguts zu lernen.

Nvidia mischt mit

Evo 1 haben Forscher des Arc Institute gemeinsam mit der Stanford University und dem Unternehmen Together AI entwickelt. Das umfangreichere Evo 2 entstand in Kooperation mit dem aktuell führenden KI-Chip-Hersteller Nvidia. Das Arc Institute hat über Evo 2 im Februar 2025 berichtet.

Die Evo-Modelle sollten Viren entwerfen, die bestimmte Bakterien befallen und zerstören (Bakteriophagen). Sie gehen also nicht auf menschliche Zellen los. Dafür haben die Forscher Evo 1 und Evo 2 ausschließlich mit Erbgut von Bakteriophagen trainiert; Tier-, Pflanzen- und Pilz-DNA wurde ausgeschlossen. Als Vorlage zur Konstruktion neuer Phagenbaupläne diente der Haus- und Hof-Phage ΦX174 (Phi X 174), der seit Jahrzehnten in vielen Laboren der Welt als Mini-Arbeitspferd dient.

Scharfschützen gegen infektiöse Erreger

Mit dem Experiment wollte das Team ergründen, ob und wie sich KIs einspannen lassen, um neue Phagen zu entwickeln, die sich gegen infektiöse Erreger richten. In der medizinischen Bekämpfung von Bakterien bilden Antibiotika zwar traditionell die stärkste Waffe, aber durch die Ausbreitung von Resistenzen stumpft ihre Wirkung zunehmend ab. Außerdem haben die weitaus meisten Antibiotika Schrotflintencharakter: Man tötet damit zwar Erreger ab, aber zusätzlich auch große Teile des Mikrobioms, auf das Menschen angewiesen sind. Phagen sind hingegen hoch spezialisiert auf nur eine Bakterienart oder wenige verwandte Stämme.

Die KI generierte Hunderttausende von künstlichen Phagengenomen, von denen viele unter den Augen der Fachleute aus diversen Gründen durch das Raster fielen. Rund 300 Genome befanden sie aber für vielversprechend. In der Praxis erwiesen sich 16 davon als voll funktionsfähig.

Erbgut, ob künstlich oder natürlich, ist nicht ohne Weiteres infektiös. Das wird es bei Phagen erst, wenn es in der zugehörigen Phagenhülle steckt. Diese dockt an spezifische Rezeptoren des Wirtsbakteriums an und injiziert darüber die Phagen-DNA in die Zelle. Die Zelle liest dann die fremde DNA ab und erzeugt Phagenproteine und Phagenerbgut, das automatisch (self-assembly) in die Phagenhülle verpackt wird. Da die Produktion ungebremst läuft, quillt die Zelle irgendwann vor lauter Phagenpartikeln über und platzt. Phagen gelangen ins Freie, und der Kreislauf beginnt von vorn.

Bakterien als Bioreaktoren

Um diesen natürlichen Produktionsweg von Phagen nachzuvollziehen, könnte man prinzipiell sowohl die DNA als auch die zugehörige Proteinhülle im Labor synthetisieren. Doch besonders die Proteinsynthese ist sehr aufwendig. Deshalb griff das Team zu einem gängigen Trick der Molekularbiologie und setzte die Zielbakterien auf bestimmte Art einem Hitzeschock aus. In diesem Zustand nehmen die Zellen nackte DNA aus der Umgebung auf (Hitzeschock-Transformation) und erzeugen dann als Bioreaktoren die ersten Generationen der neuen Phagen.

Die 16 in Phagenproteine eingebauten Genome infizierten und zerstörten das Darmbakterium E. coli im Test erfolgreich. Bemerkenswert war, dass manche der synthetischen Phagen sogar E.-coli-Stämme abtöten konnten, die gegen den natürlichen Phagen ΦX174 resistent sind. Einige der KI-Entwürfe zeigten eine höhere Fitness und Effizienz als das natürliche Vorbild.

IT- und Biosicherheit

Zusammenfassend markiert die Studie den Beginn der generativen Bio-KIs. Zuvor haben Forscher mit künstlichen Intelligenzen biologische Systeme vorwiegend analysiert oder editiert. Mit generativen Bio-KIs können sie nun lebende, funktionale biologische Systeme konstruieren. Dies birgt enorme Hoffnungen für die Entwicklung personalisierter Phagentherapien gegen multiresistente Krankenhauskeime, bei denen klassische Antibiotika versagen.

Darüber hinaus hat das Experiment intensive Diskussionen über Biosicherheit entfacht, denn es ist nun vorstellbar, dass Bioterroristen KI-Modelle missbrauchen, um gefährliche biologische Systeme zu entwerfen. Deshalb diskutiert die Fachwelt, welche Techniken und Regularien verhindern können, dass KI-generiertes Expertenwissen in falsche Hände gerät.

• Generative design of bacteriophages with genome language models