Die moderne Biotechnologie erlebt einen bedeutenden Wandel: Erstmals ist es Forschern gelungen, mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) speziell entworfene DNA-Sequenzen herzustellen, die die Genexpression in gesunden Säugerzellen kontrollieren können. Diese Entdeckung markiert einen Meilenstein in der sogenannten generativen Biologie und öffnet neue Türen für individuell angepasste Gentherapien und fortschrittliche medizinische Anwendungen. Das Forschungsteam am Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona hat mit Unterstützung eines eigens entwickelten KI-Modells synthetische DNA-Regulatoren erschaffen, die vollständig neue Sequenzen enthalten und sich in der natürlichen Evolution bisher nicht gezeigt haben. Diese Regulatoren, sogenannte Enhancer, fungieren als genetische Schalter, die Gene gezielt an- oder ausschalten können. Die Möglichkeit, diese DNA-Stücke exakt nach gewünschten Kriterien zu entwerfen, stellt einen signifikanten Fortschritt gegenüber bisherigen Methoden dar, bei denen man auf bereits existierende natürliche DNA-Sequenzen zurückgreifen musste.
Das zentrale Ziel dieses Projekts war es, einen grundlegenden Baustein des genetischen „Betriebssystems“ von Zellen zu verstehen und zu manipulieren. Gene werden nicht isoliert, sondern durch komplexe Netzwerke regulatorischer Elemente gesteuert. Die Enhancer, kleine DNA-Fragmente, spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Durch ihre Interaktion mit sogenannten Transkriptionsfaktoren koordinieren sie, welche Gene in welcher Zelle zu welchem Zeitpunkt aktiv sind. Bislang beschränkten sich die Forschungen oft auf die Verwendung von Krebszelllinien, die zwar leichter zu handhaben sind, aber nicht die gesunde Zellbiologie widerspiegeln.
Das Team am CRG hingegen führte seine Untersuchungen an gesunden Blutstammzellen durch, was die Erkenntnisse robust und biologisch relevant macht. Ein wesentlicher Schritt bei der Gestaltung des KI-Modells war das Sammeln umfangreicher experimenteller Daten. Über einen Zeitraum von fünf Jahren entwickelten die Wissenschaftler eine synthetische Bibliothek von mehr als 64.000 unterschiedlichen Enhancer-Sequenzen. Diese wurden gezielt so konstruiert, dass sie Bindungsstellen für 38 verschiedene Transkriptionsfaktoren enthielten.
Die Aktivität jeder einzelnen Sequenz wurde in sieben Entwicklungsstadien verschiedener Blutzellen gemessen. Dieses methodische Vorgehen ermöglichte es, die tiefgreifenden Gesetzmäßigkeiten der Genregulation zu ergründen und in einem computergestützten Modell abzubilden. Die KI, welche auf diese Daten zurückgreift, arbeitet wie ein Sprachmodell für genetische Sequenzen. Sie dekodiert die „Grammatik“ und „Syntax“ der genetischen Sprache, um völlig neue „Wörter“ und „Sätze“ – also DNA-Sequenzen – zu kreieren, die vorher nicht in der Natur vorhanden waren. Dies eröffnet die faszinierende Möglichkeit, maßgeschneiderte DNA-Elemente zu entwerfen, mit denen spezifisch gewünschte Genexpressionsmuster erzeugt werden können.
Beispielsweise kann ein Enhancer so programmiert werden, dass er in einer bestimmten Zelllinie das Einschalten eines Gens hervorruft, während er in anderen Zelltypen keinen Effekt zeigt. Ein anschauliches Experiment als Beweis des Konzepts war die Entwicklung synthetischer DNA-Fragmente, die ein Gen für eine fluoreszierende Proteinmarkierung in bestimmten Blutzellen aktivieren sollten, während die Genexpression in übrigen Zellen unberührt blieb. Diese von der KI entworfenen Sequenzen wurden in Mausblutzellen eingefügt und fügten sich zufällig in das Genom ein. Die wissenschaftlichen Beobachtungen bestätigten genau die Vorhersagen der KI, was die Funktionstüchtigkeit und Präzision der Technologie eindrucksvoll demonstrierte. Die Bedeutung dieser Entwicklung ist vielschichtig.
Einerseits verspricht sie bei genetischen Erkrankungen, bei denen die Genregulation gestört ist, neue therapeutische Ansätze. Klassische Gentherapien konzentrieren sich vorwiegend auf die gezielte Korrektur oder Ersatz eines mutierten Gens. Mit präzise entworfenen Enhancern könnten jedoch geneigene, dysregulierte Gene exakt in den betroffenen Zelltypen ein- oder ausgeschaltet werden, wodurch Therapien effizienter und zugleich sicherer werden könnten. Des Weiteren bietet die Technologie die Aussicht auf neuartige Werkzeuge zur Entwicklung von Medikamenten und biologischen Systemen. In der synthetischen Biologie könnte man Zellen mit individuell programmierten Genregulationen ausstatten, deren Verhalten sich punktgenau steuern lässt.
Das gleicht dem Schreiben von Software, jedoch in einem lebenden Organismus – eine Idee, die als „Programmieren von Leben“ bezeichnet wird. Herausforderungen bleiben jedoch bestehen. Die menschlichen und auch tierischen Genome werden von circa 1.600 verschiedenen Transkriptionsfaktoren reguliert, was die Komplexität enorm erhöht. Trotz der umfangreichen Datengrundlage und der hohen Genauigkeit des Modells stellt die Tatsache, dass es sich derzeit nur um einen ersten Proof-of-Concept handelt, eine Einladung zu weiterführender Forschung dar.
Zukünftige Studien werden darauf abzielen, weitere regulatorische Faktoren einzubeziehen und das Modell für verschiedene Zelltypen, Gewebe und Krankheitsbilder anzupassen. Die Kombination aus experimentellem High-Throughput-Screening und maschinellem Lernen ist bahnbrechend. Sie trägt dazu bei, naturgegebene Limitierungen zu überwinden, indem die künstlich erzeugte genetische Vielfalt erweitert wird. Evolutionäre Prozesse haben nur eine beschränkte Anzahl natürlicher Enhancer hervorgebracht, doch durch KI ist es möglich, darüber hinaus unvorstellbare Varianten mit präzisem Funktionsprofil zu entwerfen. Diese Innovation verändert nicht nur die Grundlagenforschung, sondern könnte auch praktisch angewandt werden.
Für Unternehmen und Labore, die sich auf Gentherapien, regenerative Medizin oder personalisierte Medizin spezialisiert haben, bietet die Methode eine neue Ebene der Kontrolle und Sicherheit. So können Therapien entwickelt werden, die nur dort wirken, wo sie wirken sollen, ohne gesunde Zellen unbeabsichtigt zu beeinflussen. Der Erfolg dieses Projekts ist auch ein herausragendes Beispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit. Biologen, Informatiker, Chemiker und Mediziner haben gemeinsam das KI-Modell entwickelt, auf experimentelle Daten zurückgegriffen und mittels modernster Biotechnologie die synthetischen DNA-Fragmente hergestellt und getestet. Gefördert wurde das Projekt unter anderem durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) und nationale Forschungsförderungen.
Kurz gesagt, die KI-gesteuerte DNA-Programmierung eröffnet ein neues Kapitel in der Biologie, in dem Genomregulation nicht mehr nur verstanden und beobachtet, sondern aktiv und präzise gestaltet werden kann. Die Perspektiven reichen von verbesserten Therapieansätzen für Patienten bis hin zu nachhaltigen Innovationen in der Biotechnologie. Zukünftige Forschungen werden zeigen, wie weit dieses Potenzial reichen kann und welche weiteren medizinischen und wissenschaftlichen Durchbrüche daraus hervorgehen. Die Kombination aus synthetischer Biologie und künstlicher Intelligenz ist somit nicht länger Zukunftsmusik, sondern bereits heute Realität, die das Potenzial birgt, die medizinische Forschung und Behandlung grundlegend zu transformieren.
