Wir erleben derzeit, wie Computeralgorithmen die Biologie revolutionieren

Image Protein
Proteine sind fadenförmige Moleküle, die sich zu einer bestimmten dreidimensionalen Form zusammenlagern. (Grafik: Shutterstock)

Computeralgorithmen unterstützen seit Jahrzehnten die biomedizinische Forschung und sind dabei ständig wichtiger geworden. Was wir derzeit erleben, ist allerdings ein Quantensprung, der alles Bisherige in den Schatten stellt, und der ungeahnte Auswirkungen haben wird: Mit Algorithmen der Künstlichen Intelligenz (KI) ist es möglich geworden, alleine anhand der linearen Abfolge der Bausteine von Proteinen – der Aminosäuren – vorauszusagen, zu welcher dreidimensionalen Struktur sich diese Kette von Bausteinen zusammenlagert, und das extrem genau.

Um die Bedeutung davon zu verstehen, muss man wissen, dass es in der Biologie auf zellulärer Ebene eigentlich immer um die räumliche Wechselwirkung von Molekülen geht, und diese Wechselwirkung wird bestimmt durch deren dreidimensionale Struktur. Erst wenn wir Strukturen und Wechselwirkungen kennen, verstehen wir die Biologie. Und nur wenn wir die Struktur von Molekülen kennen, können wir gezielt Medikamente entwickeln, welche die Funktion dieser Moleküle beeinflussen.

Bis jetzt konnte man die dreidimensionale Struktur von Proteinen mit drei experimentellen Methoden bestimmen: Röntgenstrukturanalyse, Kernspinresonanz sowie seit wenigen Jahren die Kryoelektronenmikroskopie. Dass nun mit KI eine vierte präzise Methode dazukommt, hat nicht nur mit verbesserten KI-​Algorithmen und den heute zur Verfügung stehenden grossen Rechenleistungen zu tun. Damit KI präzise Voraussagen machen kann, braucht sie auch sehr viele Daten in hervorragender Qualität, mit denen sie trainiert werden kann. Möglich geworden ist der Quantensprung somit dank immenser Fortschritte und Anstrengungen in beiden Bereichen: der Datenwissenschaft und der experimentellen Proteinforschung.

Zukunftsblog ETH Zürich

Silvie Cuperus

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