Die Erforschung neuartiger Proteine mit maßgeschneiderten Eigenschaften gewinnt durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Deep Learning zunehmend an Bedeutung. Biophysiker Prof. Lukas Milles und sein Team am Genzentrum der LMU entwickeln mithilfe von Deep Learning vollkommen neue Proteine, die es in der Natur nicht gibt, um neue Wirkstoffe und Vakzine zu ermöglichen. Die Erstellung von PHENOMECHANICAL, einer umfassenden Bibliothek zu Tausenden Protein-Protein-Wechselwirkungen wird nun mit einem ERC-Grant gefördert.
Proteine sind die Grundbausteine des Lebens. Sie setzen unsere Zellen zusammen, steuern den Stoffwechsel, sind Teil unseres Immunsystems – und auch der Waffen, mit denen Krankheitserreger uns attackieren. Lange galt es als nahezu unmöglich, neue Proteine mit gezielten Funktionen am Reißbrett zu entwerfen. Doch das ändert sich gerade.
Biophysiker Lukas Milles, seit 2024 Professor und Arbeitsgruppenleiter am Genzentrum der LMU und Mitglied im Exzellenzcluster BioSysteM, erforscht am Genzentrum der LMU, wie sich mithilfe von Deep Learning vollkommen neue Proteine konstruieren lassen.
- De novo Proteindesign mit KI: Milles forscht daran, völlig neue Proteine zu entwerfen, deren Strukturen und Funktionen mit Deep-Learning-Modellen generiert und anschließend im Labor getestet werden. Proteine mit maßgeschneiderten Eigenschaften eröffnen als Wirkstoffe neue Möglichkeiten für gezielte Anwendungen wie die Blockade schädlicher Bakterien oder komen als neuartige Vakzine zum Einsatz. Ein erster Impfstoff, der durch diesen Prozess entstand, ist seit 2022 auf dem Markt.
- Innovative Nutzung von Deep Learning: Die KI wird genutzt, um gewünschte 3D-Proteinstrukturen aus mathematischen Konzepten und neuronalen Netzen zu generieren, wobei bewusst ungewöhnliche Varianten erzeugt werden, die in der Natur nicht vorkommen, um neuartige Lösungen zu finden.
- Experimentelle Validierung: Die entworfenen Proteine werden durch genetisch veränderte Zellen hergestellt und im Labor auf ihre dreidimensionale Anordnung und Eigenschaften überprüft, was früher eine große Herausforderung war.
- Grundlagenforschung mit interdisziplinärem Ansatz: Milles bleibt in der Grundlagenforschung, um komplexe biologische Systeme besser zu verstehen und arbeitet interdisziplinär an der LMU, um natürliche Mechanismen von Pathogenen zu erforschen und neue Proteine zu konstruieren, die diese Prozesse blockieren könnten.
Aktuell arbeiten Milles und sein Team daran, bestimmte Proteine, mit denen Pathogene menschliche Zellen angreifen, besser zu verstehen. „Bakterien haben ganz faszinierende und auch teilweise nicht sehr intuitive Mechanismen entwickelt, die extrem gut funktionieren“, erklärt er. „Wenn wir diese Mechanismen besser verstehen und nachbauen können, schaffen wir es vielleicht, sie umzudrehen, um die Bakterien zu blockieren.“
Mit PHENOMECHANICAL (Phenotyping of protein mechanics Libraries to unravel the design principles of catch bonds) will Milles eine umfassende Bibliothek mit Datensätzen zu Tausenden Protein-Protein-Wechselwirkungen erstellen. Dafür will er eine Methode etablieren, die mechanische Kräfte zwischen Proteinen mit hohem Durchsatz vermessen kann. Genau dieser erhöhte Durchsatz wird genutzt, um die Konstruktionsprinzipien von Catch Bonds - atypische Bindungen, die ihre Lebensdauer unter mechanischer Kraft verlängern und eine zentrale Rolle bei Infektionsprozessen speilen - mithilfe von De-novo-Proteindesign zu identifizieren.
Zusätzliche Hilfe erhält Miller für dieses Vorhaben jetzt mit einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC): Der mit 1,5 Millionen Euro dotierte Grant gehört zu den angesehensten Forschungsförderungen in Europa.