KI entwirft funktionale Proteasen zum gezielten Schnitt

Forschende um David Baker von der University of Washington haben mit einer Kombination mehrerer künstlicher Intelligenz Systeme neue Proteasen von Grund auf entworfen, die gezielt vorherbestimmte Proteinsequenzen erkennen und spalten können. Proteasen sind Enzyme, die Proteine in kleinere Fragmente zerlegen, und spielen in Medizin, Biotechnologie und Industrie eine zentrale Rolle. Bislang ließ sich künstliche Intelligenz zwar bereits für neuartige Proteinstrukturen nutzen, die Erzeugung funktioneller Enzyme galt jedoch als deutlich anspruchsvoller, weil eine solche Protease sowohl ein exakt definiertes Erkennungsmerkmal im Zielprotein als auch eine effiziente Spaltaktivität besitzen muss. In den in Nature veröffentlichten Arbeiten verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere KI-Werkzeuge in Folge. Zunächst entwarfen sie mit einer spezialisierten Version von RFdiffusion2, RFD2-MI genannt, die dreidimensionalen Grundgerüste der Enzyme. Anschließend ermittelten ProteinMPNN und eine erweiterte Variante namens EnhancedMPNN Aminosäuresequenzen, die sowohl den Aufbau der Enzyme als auch die Bindung an ihre Zielproteine ermöglichen sollten. Danach prüfte AlphaFold 3 die berechneten Modelle auf strukturelle Plausibilität. Ergänzend kamen Simulationen zum Michaelis-Komplex, zur Aktivierungsenergie und zu molekulardynamischen Details hinzu, um chemisch sinnvolle Kandidaten zu identifizieren. Die experimentelle Validierung erfolgte über Bakterien, die Ketten aus Kandidatenenzym, Zielsequenz und einem fluoreszierenden Markerprotein produzierten. Ein Entwurf galt als funktionsfähig, wenn er die Zielsequenz spaltete und damit das Markerprotein freigab. Von 69 getesteten Cystein-Protease-Kandidaten waren 13 erfolgreich. Bei 135 getesteten Zink-Protease-Kandidaten lag die Erfolgsrate bei 36 Prozent. Durch eine nachträgliche KI-gestützte Optimierung erhöhte sich die Spaltungsgeschwindigkeit der besten Zink-Protease um das 30-Fache; zugleich entstand eine Cystein-Protease, die ihr Ziel exakt an der vorgesehenen Stelle schnitt. Über den Nachweis des Prinzips hinaus zeigten einige der konstruierten Enzyme auch medizinisches Potenzial. Eine der entworfenen Proteasen spaltete vollständig den Proteinstoff TDP-43, dessen krankhafte Anhäufung bei der häufigsten Form der motorischen Neuronenerkrankung ALS sowie in bestimmten Demenzerkrankungen vorkommt. Weitere Varianten zerlegten gezielt Fragmente von Amyloid-beta, das mit Alzheimer-Krankheit in Verbindung steht, sowie Serum-Amyloid-A-Proteine, die bei schweren Organschäden durch systemische Amyloidosen eine Rolle spielen. Das Ergebnis zeigt, dass das Neudesign von Enzymen über einfache Modellreaktionen hinaus vorangekommen ist. Obwohl die Proteasen noch nicht in klinischen Studien am Menschen getestet wurden, sehen die Autorinnen und Autoren einen möglichen Durchbruch für maßgeschneiderte therapeutische Enzyme, biotechnologische Verfahren und industrielle chemische Prozesse. Entscheidend ist ihre Fähigkeit, genau definierte Zielstellen auf Proteinen selektiv zu erkennen und präzise zu schneiden.