Stanford und Arc Institute: KI entwirft lebensfähige Bakteriophagen

Durchbruch im Bereich der synthetischen Biologie

Einem Forschungsteam der Stanford University und des Arc Institute ist ein bedeutender Fortschritt in der synthetischen Biologie gelungen: Erstmals wurden vollständige, lebensfähige Virusgenome mithilfe von Künstlicher Intelligenz entworfen. Die in der Fachzeitschrift *Science* veröffentlichte Studie demonstriert, dass KI-Modelle nicht nur einzelne Gene, sondern ganze funktionale Genome generieren können, die sich in der Praxis bewähren.

Im Fokus der Untersuchung standen Bakteriophagen – Viren, die ausschließlich Bakterien befallen. Diese werden in der medizinischen Forschung als vielversprechende Alternative zu Antibiotika gehandelt, da sie gezielt gegen resistente Keime eingesetzt werden könnten. Da Bakterien jedoch kontinuierlich Abwehrmechanismen entwickeln, ist die schnelle Anpassung von Phagen-Therapien entscheidend. Genau hier setzt die KI-gestützte Methode an.

Funktionsweise der KI-Modelle

Die Forschenden nutzten für das Projekt die Sprachmodelle „Evo 1“ und „Evo 2“. Diese Systeme wurden darauf trainiert, die „Sprache“ der DNA zu verstehen, ähnlich wie Sprachmodelle menschliche Texte verarbeiten. Evo 2 wurde mit Daten von etwa 128.000 Organismen trainiert, was einem Umfang von 9,3 Billionen Nukleotid-Bausteinen entspricht. Für das spezifische Phagen-Projekt erfolgte eine Feinjustierung auf rund 15.000 Genome aus der Familie der Microviridae.

Als Ausgangsbasis diente der Phage ΦX174, ein seit 1935 bekannter und gut untersuchter Virus. Das Modell erhielt einen konservierten Teil des Genoms und vervollständigte diesen, ähnlich wie ein Textmodell einen Satzanfang ergänzt. Von 302 generierten Kandidaten konnten 285 im Labor synthetisiert werden. 16 dieser künstlichen Phagen erwiesen sich als lebensfähig und vermehrten sich in *Escherichia coli*-Bakterien, obwohl ihre Gensequenzen in der Natur nicht vorkommen.

Überlegene Leistung und strukturelle Neuheiten

Einige der synthetischen Varianten übertrafen ihre natürlichen Vorbilder deutlich. Ein Kandidat namens Evo-Φ69 zeigte in Wachstumstests eine bis zu 65-fache Vermehrungsrate im Vergleich zum natürlichen ΦX174. Zudem konnten die Forscher nachweisen, dass einer der künstlichen Phagen ein neuartiges DNA-Verpackungsprotein nutzte. Dies deutet darauf hin, dass die Methode in der Lage ist, echte strukturelle Innovationen hervorzubringen, statt lediglich bekannte Muster zu variieren.

Ein weiterer Erfolg gelang mit einem sogenannten Phagen-Cocktail: Die synthetischen Viren waren in der Lage, Resistenzen in drei verschiedenen E.-coli-Stämmen zu überwinden, die gegen den ursprünglichen Phagen immun waren.

Debatte um Biosicherheit und Regulierung

Die Autoren der Studie äußern sich ungewöhnlich offen zu den potenziellen Gefahren ihrer Arbeit. Es besteht die Sorge, dass die Modelle bei entsprechendem Training mit menschlichen Krankheitserregern zur Erstellung gefährlicher Pathogene missbraucht werden könnten. Obwohl die Forscher betonen, dass Evo 2 durch eine Bereinigung der Trainingsdaten keine menschlichen Viren erzeugen kann, bleibt der Quellcode inklusive der Modellgewichte öffentlich zugänglich.

Experten wie Harald König vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) weisen jedoch darauf hin, dass die Erzeugung hochgefährlicher Erreger mit heutigen Mitteln komplex bleibt. Eigenschaften wie Immunflucht oder Übertragbarkeit seien schwer vorhersagbar, und für die praktische Umsetzung sei erhebliches Fachwissen sowie eine spezifische Laborausstattung erforderlich. Dennoch warnen Wissenschaftler vor der rasanten Entwicklung der Technologie.

Fehlende internationale Standards

Die aktuelle regulatorische Lage hinkt dem technischen Fortschritt hinterher. Bisher existieren kaum internationale Richtlinien für den Umgang mit KI-generierten Organismen. In den USA wurde zwar eine neue Richtlinie für hochriskante Biowissenschaftsforschung eingeführt, die auch rein computergestützte Forschung (in silico) einbezieht, doch die konkrete Ausgestaltung bleibt vage.

Diskutiert werden nun verschiedene Kontrollmechanismen, darunter:

* Strengere Überprüfungen bei der Bestellung synthetischer DNA.

* Verpflichtende Identitätsprüfungen für Kunden, die Nukleinsäuren synthetisieren lassen (etwa im Rahmen des geplanten EU-Biotech-Act).

* Risikogestufte Zugangsbeschränkungen für leistungsfähige Biodesign-Modelle.

* Die Einführung genetischer Markierungen zur Rückverfolgbarkeit künstlicher Genome.

Dr. Mirko Himmel von der Universität Hamburg betont zudem, dass Arbeiten an Phagen-Cocktails, die natürliche Resistenzen überwinden, nur unter strengsten Auflagen durchgeführt werden sollten. Die Wissenschaftsgemeinschaft ist sich einig, dass die Kombination aus KI-Leistungsfähigkeit und synthetischer Biologie eine engmaschige Überwachung erfordert, um den Nutzen für die Medizin zu sichern, ohne die Biosicherheit zu gefährden.