KI-Forschungsprojekt für den Aufbau einer digitalen „Impfstoff-Bibliothek“

Was ist an den Methoden so besonders? Und wie viel Computerleistung steckt in der Entwicklung?  

Humboldt-Professor Jens Meiler, der Direktor des Instituts für Wirkstoffentwicklung, bei dem ich gelernt habe, hat eine lange Expertise in der Entwicklung dieser computergestützten Proteindesignmethoden und gehört zu den Gründungsmitgliedern eines Konsortiums, dass die Rosettasoftware für Proteinmodellierung und –design herausgibt. Das Besondere an diesem Softwarepaket ist die flexible Integrierbarkeit von neuen Protokollen. Wir verwenden eine Mischung von Methoden, die sich in der Praxis bewiesen haben und diesen neuen Methoden. Dabei können wir auch verstehen, was diese neuen Methoden leisten können oder wo sie uns keine Vorteile bieten.

Unsere Berechnungen werden auf sogenannten High-Performance Computing Clustern durchgeführt. Zurzeit geschieht dies im Rechenzentrum der Universität Leipzig und in Zukunft im KI-Rechenzentrum der Universität Leipzig. Dort verwenden wir viele hunderte Recheneinheiten, um diese Modelle zu erstellen und durchzurechnen. Die Analysen werden von Wissenschaftler:innen an gut ausgerüsteten stationären Rechnern vorgenommen. Dabei zählt viel Erfahrung in der fachlichen Methode und Verständnis für die wissenschaftliche Fragestellung. Die Komponente „Mensch“ ist also essentiell für den Erfolg unserer Projekte.

Wie ist es möglich, immer schneller Impfstoffe zu entwickeln? Die Bevölkerung ist in mancherlei Hinsicht skeptisch.

Für viele virale Erkrankungen standen uns in der Vergangenheit keine Impfstoffoptionen zur Verfügung – denken Sie nur an HIV, RSV und Ebola. Mit den neuen Methoden können wir nun einen neuen Anlauf nehmen, Impfstoffe für solche Pathogene zu entwickeln. In einigen Fällen gelingt dies auch: Bei RSV musste erst verstanden werden, dass wir das Oberflächenprotein stabilisieren müssen, damit die gebildeten Antikörper das Virus neutralisieren, bevor es Zellen infiziert – denn nur dann wirken sie. Hier befinden sich Impfstoffe in späten klinischen Phasen. Auch für Ebola gibt es nun ein Vakzin. Die Grundlagenforschung ist dafür essentiell, um neue Konzepte und Methoden bereitzustellen, die uns dann auch bei Corona schnell geholfen haben. Seit der Corona-Pandemie ist computergestütztes Design aus dem Vakzindesign nicht mehr wegzudenken. Trotz dieser neuen Methoden ist die Impfstoffentwicklung immer noch eine große gemeinsame Anstrengung vieler Wissenschafler:innen.

Leider sind viele dieser Konzepte sehr abstrakt und nicht immer einfach zu verstehen. Hier sehe ich eine vermehrte Verantwortlichkeit der Wissenschaft, diese Konzepte allgemeinverständlich und zugänglich darzustellen. Vom Institut für Wirkstoffentwicklung sind wir sowohl auf der Langen Nacht der Wissenschaften am 23. Juni 2023 mit dem Vortrag „Going Deep: Künstliche Intelligenz in der Wirkstoffentwicklung“​​, 20.00 Uhr im Studienzentrum der Liebigstraße 27 vertreten und waren auch beim Dies academicus. Ich möchte jeden, der sich für diese Themen interessiert, auffordern, uns bei diesen Gelegenheiten anzusprechen.

Welchen Einfluss hat die Künstliche Intelligenz (KI) auf die rasante Entwicklung?

KI ist eine Mischbezeichnung für Methoden, die zur Selbstoptimierung fähig sind. Gerade im Bereich Strukturvorhersage hat sich das Arbeiten durch KI Methoden stark verändert. Für Aufgaben, an denen wir vor rund zwei Jahren noch viele Tage oder Wochen gearbeitet haben, gibt es jetzt Lösungen in Minuten oder Stunden. Allerdings nicht für alle Anwendungsbeispiele und auch nicht immer in der gewünschten Qualität. Nichtsdestotrotz hilft uns das, uns mehr auf die wissenschaftlichen Fragestellungen zu fokussieren. Das macht viele Prozesse schneller. Im Proteindesign gibt es nun auch viele KI-basierte Methoden. Wir sind aber immer noch in der Erprobungsphase und müssen lernen, für welche Zwecke sich diese Methoden gut anwenden lassen und wo sie herkömmlichen Methoden unterlegen sind.