Eine neue generative KI entwickelt Moleküle von Grund auf so, dass sie genau zu einem Protein passen, mit dem sie wechselwirken sollen. (Grafik: ETH Zürich / Gisbert Schneider)
Eine neue generative KI entwickelt Moleküle von Grund auf so, dass sie genau zu einem Protein passen, mit dem sie wechselwirken sollen. (Grafik: ETH Zürich / Gisbert Schneider)

KI entwirft neue Medikamente anhand von Proteinstrukturen

Mit einem neuen Computerverfahren lassen sich pharmazeutische Wirkstoffe einfach und schnell ausgehend von der dreidimensionalen Oberfläche eines Proteins erzeugen. Das von Chemiker:innen der ETH Zürich entwickelte Verfahren könnte die Medikamentenforschung revolutionieren.

«Es ist ein echter Durchbruch für die Wirkstoffforschung», sagt Gisbert Schneider, Professor am Departement Chemie und angewandte Biowissenschaften. Zusammen mit seinem ehemaligen Doktoranden Kenneth Atz hat er einen neuen Algorithmus entwickelt, der mit künstlicher Intelligenz (KI) neue pharmazeutische Wirkstoffe entwirft. Der Algorithmus erzeugt zu jedem beliebigen Protein, dessen dreidimensionale Form bekannt ist, die Baupläne für Moleküle, die als mögliche Medikamente die Aktivität des Proteins steigern oder hemmen. Chemiker:innen können diese Moleküle anschliessend im Labor synthetisieren und testen.

Der Algorithmus benötigt dazu lediglich die dreidimensionale Oberflächenstruktur eines Proteins. Auf dieser Basis erzeugt er Moleküle, die sich nach dem Schlüssel-​Schloss-Prinzip spezifisch an das Protein heften und mit ihm wechselwirken.

Nebenwirkungen ausschliessen

Die neue Methode baut auf den jahrzehntelangen Bemühungen von Chemikerinnen und Chemikern auf, die dreidimensionale Struktur von Proteinen aufzuklären und am Computer nach passenden potenziellen Wirkstoffmolekülen zu suchen. Bisher schloss das oftmals mühsame Handarbeit ein, und in vielen Fällen ergab die Suche Moleküle, die nur sehr schwer oder gar nicht synthetisierbar waren. Falls Wissenschaftler:innen in den vergangenen Jahren in diesem Prozess bereits KI eingesetzt haben, dann vor allem um bestehende Moleküle zu verbessern.

Dass nun eine generative KI ohne menschliches Zutun von Grund auf Wirkstoffmoleküle entwickelt, die zu einer Proteinstruktur passen, ist ein Novum. Das neue Verfahren beachtet gleich von Anfang an, dass die Moleküle chemisch synthetisierbar sind. Ausserdem schlägt der Algorithmus nur Moleküle vor, die mit dem vorgegebenen Protein an der gewünschten Stelle wechselwirken, aber kaum mit anderen Proteinen. «Das heisst, wir können schon beim Entwurf eines Wirkstoffmoleküls berücksichtigen, dass es möglichst wenig Nebenwirkungen hat», sagt Atz.

Um dies zu erreichen, trainierten die Wissenschaftler:innen ein KI-​Modell mit den Informationen von Hunderttausendenden bekannten Wechselwirkungen zwischen chemischen Molekülen und den entsprechenden dreidimensionalen Proteinstrukturen.

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