Ein Forschungsteam der TU Graz unter der Leitung von Gustav Oberdorfer hat im Rahmen des ERC-Projekts HelixMold eine innovative Methode entwickelt, um artifizielle Proteine am Computer zu designen. Diese sollen als maßgeschneiderte Biokatalysatoren für die Synthese von Pharmazeutika oder den Abbau von Biopolymeren wie Zellulose dienen. Die Ergebnisse, markieren einen Durchbruch in der Proteinentwicklung.

Bisherige Ansätze zur Proteindesign basierten auf der Rekombination bekannter Proteinbruchstücke aus Datenbanken mittels Zufallsexperimenten, was oft ungenaue Ergebnisse lieferte. Das HelixMold-Team setzte stattdessen auf parametrisches Design, inspiriert von Francis Cricks Berechnungen zur Atomposition in Proteinen. Dabei werden zehntausende leicht variierte Grundgerüste generiert, die ein aktives Zentrum aus der Natur geometrisch aufnehmen können. Dieses Zentrum wird fixiert, und der Rest des Proteins wird mithilfe von Simulationssoftware so gestaltet, dass die Interaktionen der Aminosäuren ein Energieminimum erreichen.

Ein besonderer Fokus lag auf unstrukturierten Proteinbereichen, sogenannten Loops, die für die Funktion entscheidend sind, aber im Design oft unvorhersehbar waren. Projektmitarbeiter Florian Wieser entwickelte eine KI, die mit tausenden experimentellen Loop-Strukturen trainiert wurde, um plausible Designs zu validieren. Diese KI-basierte Qualitätskontrolle verbesserte die Präzision des Designprozesses erheblich.

Entwicklungen in der Künstlichen Intelligenz, insbesondere durch Tools wie AlphaFold und RosettaFoldDiffusion, revolutionierten die Proteinstrukturvorhersage und beschleunigten die Arbeit des Teams. Obwohl der Fokus auf parametrisches Design mit der Zeit durch KI-Methoden ergänzt wurde, erreichte HelixMold sein Ziel: die Entwicklung einer Methode zur schnellen und präzisen Gestaltung artifizieller Proteine. Diese können gezielt chemische Reaktionen katalysieren, etwa für medizinische Wirkstoffe oder den Abbau von Polymeren.

Die Ergebnisse legen den Grundstein für zukünftige Forschung, die sich vom Anpassen natürlicher Proteine hin zum Design neuer Moleküle für spezifische Aufgaben bewegt. Das Team plant bereits nächste Schritte, um die Methode weiter zu verfeinern und ihre Anwendung in der Biotechnologie und Medizin auszubauen.

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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