Im Labor wurden die synthetisch erzeugten Bakteriophagen bereits erfolgreich gegen Darmbakterien getestet. Laut dem Forschungsteam überwanden die KI-generierten Viren dabei sogar Resistenzen, an denen natürliche Bakteriophagen gescheitert waren. Die Studie, die nun im Fachjournal „Science“ veröffentlicht wurde, könnte neue Ansätze zur Bekämpfung sich rasch entwickelnder Krankheitserreger liefern, so das Forschungsteam um Samuel King von der Uni Stanford.

Die Fähigkeit, komplexe biologische Systeme mit Hilfe von KI zu entwerfen, berge das Potenzial, „die Biotechnologie grundlegend zu verändern“, heißt es in einem Kommentar der Redaktion des Fachjournals. Bisher hätte sich die Forschung auf einzelne Gene beschränkt, die aktuelle Arbeit lege aber den Grundstein für KI-gesteuertes Design biologischer Funktionen auf der Ebene eines gesamten Genoms, also des gesamten Erbguts eines Virus.

„Bakterienfresser“

Bakteriophagen (übersetzt: Bakterienfresser; kurz: Phagen) sind Viren, die Bakterien befallen und zerstören. Sie finden Anwendung in Medizin, Biologie und Gentechnik. Ihre Wirkung wurde 1917 erstmals beschrieben.

Wie synthetische Viren generiert werden

Das Forschungsteam nutzte die Genomsprachmodelle Evo 1 und Evo 2. Diese trainierte es mit 14.266 Genomen von natürlichen Bakteriophagen. Das funktioniere wie bei Sprachmodellen, die mit großen Textmengen trainiert werden, beschreiben die Autorinnen und Autoren den Vorgang: Genomsprachmodelle werden mit großen DNA-Datensätzen trainiert.

Als Designobjekt wählten sie den Bakteriophagen ΦX174, ein Virus, das Bakterien der Art Escherichia coli infiziert. E-Coli-Bakterien können Infektionen im Darm auslösen. Basierend auf dem Erbgut des natürlichen Bakteriophagen ΦX174 wurden Tausende neue Phagengenome erstellt. 300 dieser synthetischen Genome testete das Forschungsteam im Labor und prüfte deren Eigenschaften.

Am Ende blieben 16 unterschiedliche funktionelle Bakteriophagen übrig. Das Forschungsteam gab einen Cocktail dieser synthetischen Bakterienfresser zu gezüchteten E-Coli-Kulturen, die gegen ΦX174 resistent waren. Das Ergebnis: Die KI-generierten Viren schafften es, diese Resistenz zu überwinden und das Wachstum der Bakterien zu stoppen.

Sicherheitsfragen im Fokus

Die Studie zeige das Potenzial für die Therapie mit Bakteriophagen, so das Forschungsteam. Durch (Genom-)Sprachmodelle werde es möglich sein, das Erbgut von Phagen so zu entwerfen, dass diese auf Resistenzen bei bakteriellen Infektionen abgestimmt sind. Es betont aber auch selbst damit verbundene Fragen zur Biosicherheit und fordert eine Debatte über klare Regeln und politische Maßnahmen, die einen möglichen Missbrauch verhindern sollen.

Denn der Dual-Use-Charakter des Forschungsansatzes, also der doppelte Verwendungszweck, sei mit potenziellen Gefahren verbunden. Mit Dual Use werden Technologien bezeichnet, die für zivile Zwecke hergestellt, aber auch für militärische Zwecke verwendet werden können. So könne man das entwickelte Genomsprachmodell theoretisch auch mit humanpathogenen Mikroorganismen trainieren und damit Krankheitserreger „mit pandemischem Potenzial“ schaffen.

Ruf nach Richtlinien für KI-generierte Organismen

Die Autorinnen und Autoren der Studie setzen sich „bewusster mit Fragen der Biosicherheit auseinander als die meisten Entwickler leistungsstarker biologischer KI-Modelle“, schreiben Thomas Inglesby und Moritz Hanke vom Center for Health Security der Johns-Hopkins-Universität in einem begleitenden Kommentar.

Die Frage sei allerdings nicht länger, ob das Genomdesign von Viren durch KI möglich sein wird, sondern „ob die Gesellschaft eine Aufsicht schaffen kann, die es ermöglicht, die Vorteile zu nutzen und gleichzeitig schwerwiegende Schäden zu verhindern“. In den derzeitigen internationalen Richtlinien zu Biosicherheit, etwa der Weltgesundheitsorganisation (WHO), sei jedenfalls noch nicht thematisiert worden, wie mit KI-generierten Organismen verfahren werden soll.

„Balance zwischen Forschungsfreiheit und Regulation“

Auch zwei Wissenschaftler, die vom deutschen Science Media Center zu den Forschungsergebnissen befragt wurden, bestätigen deren Relevanz, ebenso wie das Sicherheitsrisiko. Die in der Studie der Uni Stanford demonstrierte Effektivität der Generierung neuartiger Bakteriophagen sei „beeindruckend“, so Mirko Himmel, Leiter der Arbeitsgruppe „Molekulare Infektionsmechanismen pathogener Mikroorganismen“ an der Universität Hamburg.

Anwendungspotenziale sieht der Forscher zum Beispiel in der Therapie bei schwierig zu behandelnden, antibiotikaresistenten Bakterien. Himmel weist aber auch auf den „eindeutigen“ Dual-Use-Charakter der Forschungsergebnisse hin. „Sehr positiv“ sei hervorzuheben, dass die Autorinnen und Autoren bereits in der Studie zu den Aspekten der Biosicherheit umfangreich Stellung nehmen. Für den wissenschaftlichen Fortschritt sei entscheidend, „die richtige Balance zwischen Forschungsfreiheit und der Regulation sicherheitsrelevanter Forschungsaktivitäten zu finden“.

Kontrolle durch Staaten, Kontrolle von Staaten

Eine zentrale Befürchtung um KI-Anwendungen in der Biotechnologie sei, dass sich Krankheitserreger „wie pandemische Viren gezielt verbessern lassen oder sich gar völlig neue Erreger generieren und als biologische Waffen nutzen lassen – auch durch nicht staatliche Akteure“, so Harald König vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Angesichts der „hochdynamischen KI-Entwicklungen“ sei kontinuierliches Monitoring notwendig, um Risiken regelmäßig neu bewerten und mögliche vorsorgende Maßnahmen anpassen zu können, gerade bei Entwicklungen mit kritischen biologischen Datensätzen und KI-Biodesignmodellen. Regulierung müsse einerseits von Staaten ausgehen; um Staaten andererseits aber auch selbst zu kontrollieren, verweist König etwa auf völkerrechtliche Verträge wie die Biowaffenkonvention.

Das Biowaffenübereinkommen, das 1975 in Kraft trat, stelle jede Verwendung von biologischen Agenzien wie Viren für feindselige Zwecke unter ein generelles Verbot, ergänzt Himmel. Dual-Use-Anwendungen und Forschung mit Dual-Use-Potenzial fallen aber nicht unter dieses Verbot.