Unser Körper lebt, altert, verstoffwechselt. Maßgeblich daran beteiligt sind Proteine, denn sie sind Hauptbestandteil lebender Zellen. Proteine verleihen unseren Zellen ihre Form, spalten Nahrung, versorgen Muskeln, übermitteln Signale oder transportieren Nährstoffe – richtige Alleskönner quasi.

"Proteine sind essentiell für alle Vorgänge in lebenden Zellen", weiß auch Thomas Kiefhaber, Proteinbiologe an der Martin-Luther-Universität in Halle. Er kennt die Multitalente unseres Organismus in- und auswendig. Was macht sie so besonders?

Um das zu beantworten, muss man wissen, wie Proteine in unserem Körper gebaut werden, sagt Professor Kiefhaber. Dies ist ein äußerst komplexer Vorgang, denn der genetische Informationsgehalt auf der DNA muss zuerst in RNA überführt und anschließend als Protein realisiert werden. Forscher nennen diesen Prozess "Genexpression". Er sorgt dafür, dass die genetische Information in der Zelle verwirklicht wird.

Vom Gen zum Protein bei Eukaryoten (Menschen, Tiere, Pflanzen): Mithilfe der Proteinbiosynthese gelingt es den Zellen, den genetischen Code zu knacken. Zur Genexpression bei Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) gibt es Unterschiede, da sie keinen Zellkern haben. Bildrechte: MDR Wissen/ Maik Schuntermann

Und das geht so: Auf der Doppelhelix der DNA befinden sich alle Bauanleitungen zur Herstellung der Proteine, die eine Zelle benötigt. Um die genetische Information der DNA in Proteinen umzusetzen, erfolgt zunächst die Transkription. Dazu wird eine Abschrift der DNA mithilfe der messenger-RNA (mRNA, auch Boten-RNA) erstellt, eine Art "Montageplan" für die zu bildenden Proteine. Diese Bauanleitungen müssen allerdings noch in die "Protein-Sprache" übersetzt werden. Den Job des Dolmetschers übernehmen hierbei die Ribosomen. Spezielle Adapter, die transfer-RNAs (tRNA), helfen, die Übersetzung zu gewährleisten. Während dieser Translation bilden sich aneinander gereihte Aminosäuren. Wie Perlen an einer Schnur fügen sie sich zu einer Kette zusammen.

Im Körper passiert das unaufhörlich – Tag für Tag, Sekunde für Sekunde – und in unfassbarer Schnelligkeit. Es geht zu wie auf einer permanenten Groß-Baustelle. Die DNA wäre dabei das Architekturbüro, und die Proteine wären die Bauarbeiter.

Das Besondere an diesen Bauarbeitern ist, dass sie die vielfältigsten Formen und Größen annehmen können. Denn Proteine reihen sich nicht nur zu Perlenketten zusammen, sondern sie falten sich auch. Man kann sie mit talentierten Origami-Künstlern vergleichen, die sich in ausgefeilte dreidimensionale Formen knicken. So lassen sich mit denselben Bausteinen (Aminosäureketten) mal ein Papierflieger oder mal ein Kranich falten.

Prof. Thomas Kiefhaber, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Bildrechte: Prof. Thomas Kiefhaber privat

"Erst durch diese dreidimensionale Faltungsstruktur werden Proteine funktionsfähig", erklärt Thomas Kiefhaber. Sonst könne ein Protein im Körper nicht funktionieren. Doch hier fängt für Proteinbiologen wie Thomas Kiefhaber die Schwierigkeit an. Denn die Origami-Faltung der Proteine ist kompliziert. Es gibt 20 Aminosäuren, aber mindestens 100 Möglichkeiten der Perlenkette. Wie genau sie abläuft, ist bis heute unverstanden und immer noch weitgehend ein Rätsel der Natur.

"Die Vorhersage der Proteinfaltung am Computer ist kompliziert, weil mehrere Tausend Atome richtig positioniert werden müssen", sagt Kiefhabers Forscherkollege Jens Meiler, derzeit mit einer Humboldt-Professur Bioinformatiker an der Universität Leipzig. "Dafür gibt es theoretisch mehr Möglichkeiten als Sterne im Universum." Wenn man Proteine vorhersagen will, erfordert das hohe Rechnerkapazitäten. Aber kein Computerprogramm könne alle denkbaren Möglichkeiten der Proteinfaltung austesten.

Die Proteinfaltung zu verstehen, ist wichtig, denn jede kleinste Veränderung an der Faltung hat große Auswirkungen auf den Körper: Sie führt zum Beispiel bei Alzheimer dazu, dass Gehirnsignale nicht mehr richtig transportiert werden oder bei Mukoviszidose-Patienten, dass der Schleim zäher ist und ihre Lungen verstopft. Nicht zuletzt um diesen Krankheiten endlich auf die Schliche zukommen, versuchen die Wissenschaftler den Origami-Code der Proteine zu knacken und dieses "Proteinfaltungsproblem" zu lösen.

Nun ist es der Google-Firma "DeepMind" gelungen, die dreidimensionale Faltung der Proteine mit bislang nicht möglicher Genauigkeit vorherzusagen – ihr Schlüssel dafür: Künstliche Intelligenz.

Bernhard Renard ist Experte für Maschinelles Lernen am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam. Er erklärt was hinter der Technologie steckt: "Wir haben inzwischen ausreichend große Trainings-Datensätze für die Wissenschaft, um so etwas machen zu können", sagt Professor Renard.

Die Entwickler von DeepMind fütterten ihren Algorithmus "AlphaFold2.0" mit 100.000 Proteinen, die Wissenschaftler aus aller Welt bereits vorher in mühevoller Kleinarbeit bestimmt hatten. Das Programm lernte die Strukturen dahinter – und konnte in sieben von zehn Fällen die korrekte Proteinfaltung vorherzusagen. Eine vorher nie dagewesene Genauigkeit.

"Das ist eine Errungenschaft und ein weiterer Schritt nach vorn", ist sich Bernhard Renard sicher. "Was natürlich Google hat, sind enorme Ressourcen, die ein einzelnes Forschungslabor selten in dieser Konstellation zur Verfügung hat."

Ähnlich sieht das auch Professor Jens Meiler aus Leipzig. "Soweit ich die Resultate schon bewerten kann, sieht es so aus, als ob wiederum ein großer Fortschritt gelungen ist. Das ist toll und wird unser Forschungsfeld vorantreiben", so Meiler.

Hoffnung auf neue Therapeutika

Wissenschaftler könnten mit der Methode neue therapeutische Proteine kreieren, Krankheiten früher diagnostizieren, neue Impfstoffe in kürzerer Zeit entwickeln oder individuell auf den Patienten abgestimmte Medikamente mit geringeren Nebenwirkungen herzustellen – all das ließe sich durch die bessere Vorhersage der Proteinfaltung ermöglichen, ist auch der Hallenser Proteinbiologe Thomas Kiefhaber überzeugt.

Allerdings: Was der DeepMind-Algorithmus bei der Vorhersage der Proteinfaltung letztlich gemacht hat, wissen selbst die Google-Programmierer bislang nicht. Das wäre aber wichtig, um auch das Prinzip der Proteinfaltung wirklich zu verstehen. Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson könnten dann besser behandelt werden. Die Proteinforscher stehen deshalb noch vor vielen Fragezeichen. Thomas Kiefhaber vergleicht das mit einem Fußballspiel:

"Was dieses Programm kann, ist das Ergebnis eines Fußballspiels mit sehr hoher Präzision vorherzusagen. Aber was die Proteinfaltung bedeutet, ist, dass man eigentlich vom Anpfiff bis zum Abpfiff jede Bewegung der Fußballspieler auf dem Platz kennt", erklärt er. Aber das sei natürlich viel schwieriger, als einfach das Ergebnis vorherzusagen.

Der Origami-Code der Proteine bleibt ungeknackt. Thomas Kiefhaber aus Halle und sein Kollege Jens Meier aus Leipzig müssen also weiterforschen. Aber mithilfe der Künstlichen Intelligenz kommen sie dem Geheimnis der Proteinfaltung dennoch ein Stück näher.