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Mit bloßem Auge sichtbar: KI entwickelt maßgeschneiderte Leucht-Enzyme

Leuchtende Enzyme könnten in der bildgebenden Diagnostik, etwa bei der Magnetresonanztomographie (MRT) helfen. Forscher:innen haben nun mithilfe einer KI passende Strukturen designt. Das stößt viele Türen auf.

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Wissenschaftler:innen aus den USA haben ein Protein maßgeschneidert, das wie ein Glühwürmchen leuchten kann. (Symbolbild: S. Singha/ Shutterstock.com)

Forscher:innen der University of Washington haben einen weiteren Schritt in Richtung KI-basiertes Proteindesign unternommen. Es gelang ihnen, maßgeschneiderte Enzyme zu züchten, die eine lichterzeugende Reaktion anstießen.

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Das Ergebnis heißt Luxsit. Das Protein leuchtete in einer erweiterten Version so stark, dass man es mit bloßem Auge erkennen konnte. Co-Autor Andy Hsien-Wei Yeh der Studie in der Publikation Nature diagnostizierte: „Dieser Durchbruch bedeutet, dass im Prinzip maßgeschneiderte Enzyme für fast jede chemische Reaktion entworfen werden könnten.“

Selbst mit bloßem Auge ist das Leuchten der Luxsit-Enzyme zu erkennen. (Screenshot: Nature.com/t3n)

Deep Learning führt zu hocheffektiven Ergebnissen

Yeh und sein Team nahmen das neuronale Netz „trRosetta“ des Instituts für Proteindesign zur Hilfe, um neue Luciferasen zu entwickeln. So heißen die Enzyme, die über eine Reaktion mit Diphenylterazin (DTZ) Licht emittieren können. Die KI sagte für 1.600 Proteingerüste entsprechende Eigenschaften vorher.

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Die Forscher:innen reduzierten die Auswahl und kodierten die besten Kandidaten in DNA, um sie in Bakterien einzuschleusen. Am Ende erzeugten die vorgeschlagenen Enzyme nicht nur tatsächlich Licht, sondern besaßen auch andere Vorteile.

Wird Designprotein Luxsit zu einem medizinischen Werkzeug?

Den leistungsstärksten Kandidaten nannten sie „Luxsit“ – eine Anspielung auf das Motto der Universität. Es lautet „lux sit“ und bedeutet „Es werde Licht“. Luxsit fällt kleiner aus als jede bekannte Luciferase und ist sehr lichtstark. Außerdem bleibt sie auch bei Temperaturen von über 95 Grad Celsius stabil.

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Die Entdecker:innen prognostizieren ihrer Methode eine rosige Zukunft. Co-Autor Christoffer Norn sagte: „Das Design von Enzymen hat Wissenschaftler jahrzehntelang frustriert, denn es ist eine der schwierigsten Aufgaben in der gesamten Biochemie. Aber mit unseren neuen Werkzeugen zur Erzeugung von funktionsgerechten Gerüsten bin ich gespannt, welche Fortschritte wir beim Design von Enzymen machen können, die in der Medizin und Biotechnologie praktische Anwendungen finden.“

Biokatalysatoren können Diagnostik erweitern

In ihrer Studie schreiben die Autor:innen, dass eine Weiterverwendung ihres Ansatzes bei anderen Luciferin-Substraten als DTZ neue Wege im Bereich Multiplexing-Mikroskopie eröffnen könnte. In der bildgebenden Diagnostik könnten Proteine, die bestimmte Marker oder Substanzen aufspüren und sich dann mit starker Lichtemission „melden“, sehr nützlich sein.

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Doch die Erkenntnisse gehen darüber hinaus. Die Studie schließt mit dem Ausblick: „Obwohl Luciferasen die Emission von Licht katalysieren, ist die chemische Umwandlung von Substraten in Produkte allen Enzymen gemeinsam, und der hier entwickelte Ansatz sollte ohne Weiteres auf eine Vielzahl chemischer Reaktionen anwendbar sein.“

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