Chancen & Risiken KI-designter Biostoffe

Verliebt in Deinen Wischmopp?

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Wir erklären Dir, wie es dazu kommen kann.

Du hast bestimmt schon davon gehört, dass Entscheidungen „aus dem Bauch heraus“ beeinflusst werden. Bakterien im Darm kommunizieren mithilfe kleiner Moleküle mit dem Gehirn des Darmbesitzers. Die Gesamtheit der unterschiedlichen Bakterien eines individuellen Menschen nennt man „Mikrobiom“ [1]. Stoffe die diese Bakterien ausscheiden, können die Darmwand passieren und über den Kreislauf in Dein Gehirn gelangen. Dort können sie beispielsweise für depressive Verstimmungen sorgen [2, 3]. Wie genau das funktioniert, ist Gegenstand aktueller Forschung.

Pheromone sind Botenstoffe, die in sehr unterschiedlichen Spezies hormonartige Wirkungen verursachen. Sie wirken so intensiv und durch den freien Willen unbeeinflussbar wie Hormone. Von einem Individuum auf das andere übertragen werden sie jedoch nicht durch einen nichtvorhandenen, gemeinsamen Blutkreislauf (wie Hormone übertragen würden), sondern auf dem Luftweg. Sie lösen meist fortpflanzungsbezogene Verhaltensänderungen in dem von ihnen erfassten und für das jeweilige Pheromon kompetenten Individuum aus (z. B. Duldungsstarre der Sau). Kurze Peptide, durch die Nase aufgenommen, können auch beim Menschen genügen, um eine vollständige hormonelle Antwort auszulösen. Die wird beim nasalen TRH-Test oder bei der nasalen Applikation von Oxytocin klinisch genutzt. Während TRH nur 3 Aminosäuren Länge besitzt, kommt das Oxytocin (Kuschelhormon) auf immerhin auf eine Länge von 9 Aminosäuren.

Pflanzen interagieren / kommunizieren miteinander mittels kleinster RNA sogenannter miRNA oder µRNA und verändern dadurch die Genexpression in Nachbarpflanzen [4, 5].

Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden: Schon kurze Polymere, gebildet aus Aminosäuren oder Nukleobasen können über die Atemluft übertragen eine intensive biologische Wirkung ausüben, wenn sie denn in der „richtigen“ Reihenfolge miteinander verknüpft sind. Das Wirkungsspektrum liegt meist im Bereich der Fortpflanzung.

Der Gamechanger stellt seine Macht unter Beweis

ProGen ist eine an 280 Millionen Proteinsequenzen trainierte KI. In einer in nature biotechnolgy veröffentlichten Studie der University of California San Francisco [6] beschreiben die Forschenden den von ihnen gewählten Lösungsansatz und Weg zu einem biologisch aktiven Enzym. Wie natürliche Proteine auch, besteht es aus einer Kette von miteinander in einer bestimmten Folge verknüpften Aminosäuren. Die Abfolge der Aminosäuren (Sequenz) und damit auch die innere Struktur unterscheidet sich jedoch deutlich von natürlichen Enzymen mit gleicher Wirkung. Im Zuge der Evolution entwickelten sich Enzyme meist durch Mutation aus Vorgängerenzymen. Sukzessive Veränderungen der Abfolge von Aminosäuren führte zu Anpassungen an neue Substrate, größere Aktivität oder modifizierte Bedingungen unter denen denen das Enzym aktiv sein konnte. Im Großen und Ganzen blieben die Sequenzen sehr ähnlich. Evolutionssprünge sind selten. KI-designte Proteine müssen sich nicht an Vorgaben der Evolution halten! Durch die spezielle Ausrichtung der Aminosäurereste zueinander – der Sekundär- und Tertiärstruktur – entstehen enzymatisch aktive Bereiche. Auch eine Beeinflussung durch Wechselwirkung des enzymatisch aktiven Bereichs mit Oberflächenstrukturen des KI-designten Proteins wären denkbar. Mit solchen Oberflächenstrukturen entstünde die Möglichkeit allosterischer Regulation der enzymatischen Aktivität. Allosterie ist eine wesentliche Eigenart des Hämoglobins, also die durch Bindung eines Stoffes veränderte Wirkung auf ein weiteres Molekül.

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Das KI-designte Enzym besitzt eine biologische Aktivität, die der von Lysozym aus Hühnereiweiß entspricht. Lysozym besitzt die Eigenschaft, Bakterien und Pilze attackieren zu können. Funktionell identisch, aber nicht evolutionär entstanden sondern durch KI-Algorithmen entworfen wären nun Anpassungen denkbar, die den Einsatzbereich mit Blick auf Temperatur, pH-Wert oder Salinität erweitern.

Nach dem Grundsatz, dass die elektronische Raumstruktur einer Oberflächenkavität die enzymatische Aktivität bedingt, sind auch Enzyme vorstellbar, die nicht aus Aminosäuren bestehen. In der Abfolge leicht modellierbare Biopolymere liegen auch mit der RNA vor. Tatsächlich gibt es auch natürlicherweise vorkommende Enzyme, die aus RNA bestehen [7]. Diese Ribozyme lassen sich mit einigem Aufwand und einigen Reifungsprozessen (SELEX) biotechnisch erzeugen. Abgeleitet vom Aptamerkonzept bezeichnet man sie gerne als Aptazyme [8]. Aptazyme und Aptamere werden aus DNA bzw. RNA hergestellt [9]. Zuweilen modifiziert man die Bausteine nach der Herstellung des funktionellen Polymers, zuweilen verwendet man modifizierte Monomere. Beide Ansätze sollen zu größerer Stabilität führen und dem biologischen Abbau vorbeugen.

Den genannten vollsynthetischen Biopolymeren aus KI-Design ist gemein, dass sich die Sequenzen ihrer Bestandteile ganz fundamental von denen natürlich vorkommender Biopolymere unterscheiden können.

Warum verliebt in den Wischmopp?

Viele Reinigungsmittel enthalten schon heute Enzyme gentechnisch veränderter Organismen. Irgendwann zersetzen sich alle Polymere, wobei es letztlich egal ist, ob sie natürlichen oder synthetischen Ursprungs sind. Proteasen oder bei Aptazymen RNAsen bakteriellen Ursprungs (im Wischmopp) zerlegen die Reinigungsenzyme in kleine Abschnitte. Die kleinen Abschnitte können als Aerosol vertragen in die Nase oder anderen dafür empfänglichen Organe des Zielorganismus (das könntest zum Beispiel DU sein) und beeinflussen das Verhalten.

Muss es so kommen? Nein. Wenn man die KI trainiert, bestimmte Sequenzen nicht zu verwenden, bleiben die synthetischen Enzyme vollkommen harmlos. Man müsste nur alle fraglichen / zu verbietenden Sequenzen zunächst kennen. Trotz der fundamentalen Revolution wartet nun also eine Menge wichtiger Arbeit, die vermutlich zu vielen kleinen, angeblich unwesentlichen Veröffentlichungen führt.

 

Quellenangaben: Funddatum 10.02.2023

[1] Mikrobiom

https://de.wikipedia.org/wiki/Mikrobiom

[2] Stimmungsmacher im Darm

https://www.spektrum.de/news/wie-der-darm-die-psyche-beeinflusst/1691794

[3] Wie Mikrobiom und Psyche sich gegenseitig beeinflussen

https://www.psych.mpg.de/2753178/mikrobiom

[4] MicroRNA: a new signal in plant-to-plant communication

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35101347/

[5] Exogenous miRNAs induce post-transcriptional gene silencing in plants

https://www.nature.com/articles/s41477-021-01005-w

[6] https://doi.org/10.1038/s41587-022-01618-2

[7] „Modulation von Ribozymaktivität durch gezielte Kontrolle der Sekundärstruktur“ Dissertation von K. Strohbach

https://d-nb.info/985682604/34

[8] Universität Konstanz entwickelt ersten Genschalter für C. elegans

https://www.innovations-report.de/fachgebiete/biowissenschaften-chemie/universitaet-konstanz-entwickelt-ersten-genschalter-fuer-c-elegans/

[9] Synthetic DNA-based enzymes

https://news.rub.de/english/press-releases/2018-08-20-biotechnology-synthetic-dna-based-enzymes

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