Synthetische DNA kann die Produktion von Proteinen in Zellen steuern

Mit Hilfe von KI konnten Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, synthetische DNA entwerfen, die die Produktion von Proteinen in Zellen steuert. Die Technologie könnte viel schneller und zu deutlich geringeren Kosten als heute zur Entwicklung und Produktion von Impfstoffen, Medikamenten für schwere Krankheiten sowie alternativen Nahrungsproteinen beitragen.

Wie unsere Gene exprimiert werden, ist ein Prozess, der für die Funktionalität von Zellen in allen lebenden Organismen grundlegend ist. Einfach ausgedrückt wird der genetische Code in der DNA in das Boten-RNA-Molekül (mRNA) übertragen, das der Zellfabrik mitteilt, welches Protein in welchen Mengen produziert werden soll.

Forscher haben große Anstrengungen unternommen, um die Genexpression zu kontrollieren, weil sie unter anderem zur Entwicklung proteinbasierter Medikamente beitragen kann. Ein aktuelles Beispiel ist der Covid-19-mRNA-Impfstoff, der die Körperzellen anweist, dasselbe Protein zu produzieren, das sich auf der Oberfläche des Coronavirus befindet. Das körpereigene Immunsystem kann dann lernen, Antikörper gegen das Virus zu bilden. Ebenso ist es möglich, dem körpereigenen Immunsystem beizubringen, Krebszellen oder andere komplexe Krankheiten zu besiegen, wenn man den genetischen Code hinter der Produktion spezifischer Proteine ​​versteht.

Die meisten der heutigen neuen Medikamente basieren auf Proteinen, aber die Techniken zu ihrer Herstellung sind teuer und langsam, da es schwierig ist, zu kontrollieren, wie DNA exprimiert wird. Im vergangenen Jahr unternahm eine Forschungsgruppe in Chalmers unter der Leitung von Alexey Zheleznyak, außerordentlicher Professor für Systembiologie, einen wichtigen Schritt, um zu verstehen und zu kontrollieren, wie viel Protein aus einer bestimmten DNA-Sequenz hergestellt wird.

„Zuerst ging es darum, die Anweisungen des DNA-Moleküls vollständig ‚lesen‘ zu können. Jetzt konnten wir unsere eigene DNA entwerfen, die die genauen Anweisungen enthält, um die Menge eines bestimmten Proteins zu kontrollieren“, sagt Alexey Zheleznyak über die neueste wichtige Studie der bahnbrechenden Forschungsgruppe.

DNA-Moleküle auf Bestellung

Das Prinzip hinter der neuen Methode ähnelt dem, wenn KI Gesichter generiert, die wie echte Menschen aussehen. Indem sie lernt, wie eine große Auswahl an Gesichtern aussieht, kann die KI völlig neue, aber natürlich aussehende Gesichter erstellen. Dann ist es einfach, ein Gesicht zu ändern, z. B. zu sagen, dass es älter aussehen oder eine andere Frisur haben soll. Auf der anderen Seite wäre es viel schwieriger und zeitaufwändiger, ein glaubwürdiges Gesicht von Grund auf neu zu programmieren, ohne den Einsatz von KI. Ebenso wurde der künstlichen Intelligenz der Forscher die Struktur und der regulatorische Code der DNA beigebracht. Die KI entwirft dann synthetische DNA, bei der es einfach ist, ihre regulatorischen Informationen in die gewünschte Richtung der Genexpression zu modifizieren. Vereinfacht gesagt wird der KI mitgeteilt, welcher Teil des Gens gewünscht wird und „prägt“ dann die passende DNA-Sequenz.

„DNA ist ein unglaublich langes und komplexes Molekül. Es ist daher experimentell äußerst anspruchsvoll, Änderungen daran vorzunehmen, indem iterativ gelesen und geändert und dann erneut gelesen und geändert wird. Daher braucht es Jahre der Forschung, um etwas zu finden, das funktioniert. Stattdessen ist es viel effizienter, die KI die Prinzipien der Navigation in der DNA lernen zu lassen. Was sonst Jahre dauern würde, verkürzt sich jetzt auf Wochen oder Tage“, sagt Erstautor Jan Zrimec, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Nationalen Institut für Biologie in Slowenien und ehemaliger Postdoc in der Gruppe von Aleksey Zhelezniak.

Die Forscher entwickelten ihre Methode in der Hefe Saccharomyces cerevisiae, deren Zellen Säugerzellen ähneln. Im nächsten Schritt werden menschliche Zellen verwendet. Die Forscher hoffen, dass ihre Fortschritte Auswirkungen auf die Entwicklung neuer und bestehender Medikamente haben werden.

„Die Entwicklung proteinbasierter Medikamente für komplexe Krankheiten oder alternativ resistenter Nahrungsproteine ​​kann viele Jahre dauern und extrem teuer sein. Einige sind so teuer, dass es unmöglich ist, eine Kapitalrendite zu erzielen, was sie wirtschaftlich unrentabel macht. Mit unserer Technologie ist es möglich, Proteine ​​viel effizienter zu entwickeln und herzustellen, um sie auf den Markt zu bringen“, sagt Alexey Zheleznyak.

Bezug: Zrimec J, Fu X, Muhammad AS, et al. Steuerung der Genexpression durch tiefgreifendes generatives Design regulatorischer DNA. Nat Common. 2022;13(1):5099. tun: 10.1038/s41467-022-32818-8

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