Von Viren lernen

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KI designt neuartige Nanokäfige

Beo Protein-Nanokäfigen, Strukturen mit denen Viren ihr genetisches Material schützen und verbreiten, handelt es sich um nanoskalige Hohlkörper, die durch spontane Zusammenlagerung von Einzelproteinen entstehen. Diese Strukturen gelten  als vielversprechende Plattformen für die gezielte Wirkstoff- und Gentherapie sowie für Impfstoffentwicklung, da sie im Inneren Enzyme, Wirkstoffe oder Genmaterial transportieren und außen Impfstoffantigene präsentieren können.

Bislang beruhte ihr Design überwiegend auf streng symmetrischen Architekturen, was Größe und strukturelle Komplexität der erzeugbaren Nanostrukturen begrenzte. Nun stellt ein Forscherteam um Professor Dr. Sangmin Lee, der aktuell an der University of Washington in Seattle und an der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Pohang, Südkorea, forscht, eine Methode zum Design von Proteinen vor, die sich an einem grundlegenden Prinzip natürlicher Viruskapside, der sogenannten Quasisymmetrie, orientiert. Die Prinzipien dieses Proteindesigns beschreiben die Forschenden im Fachblatt »Nature«.

Bei der Quasisymmetrie ordnen sich viele identische Proteinbausteine zu großen Strukturen zusammen, wobei sic abhängig von ihrer Position innerhalb der Gesamtstruktur leicht unterschiedliche lokale Anordnungen einnehmen. Dieses Konzept erlaubt den Aufbau großer, geschlossener Hüllen aus nur einem einzigen Proteintyp.

Der entscheidende Durchbruch bestand darin, ein künstliches Protein so zu gestalten, dass es innerhalb derselben Struktur sowohl pentagonale als auch hexagonale Anordnungen einnehmen kann. Die Forschenden fanden heraus, dass die Größe viraler Hüllen maßgeblich durch die Winkel und Krümmungen zwischen den einzelnen Bausteinen bestimmt wird. Eine zu geringe Krümmung verhindert den Schalenabschluss, eine zu starke Krümmung führt zu kleineren Strukturen. Durch präzise Kontrolle dieser geometrischen Parameter gelang es dem Team, die Selbstorganisation großer sphärischer Proteinkäfige gezielt zu steuern. 

Als Grundbaustein diente eine trimere Proteineinheit. Mithilfe eines KI-gestützten Werkzeugs entwicklelten die Forschenden geeignete Verbindungsstrukturen, mit dessen Hilfe sich neue Proteinarchitekturen aufbauen lassen. Die künstlich entworfenen Proteine konnten dadurch in unterschiedlichen Winkeln miteinander interagieren und sich zu kuppelförmigen, geschlossenen Nanokäfigen statt zu flachen Proteinflächen zusammensetzen.

Die experimentelle Validierung erfolgte durch die Expression der Proteine in dem Darmbakterium Escherichia coli. Anschließend analysierten die Forschenden die gebildeten Proteine mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie. Es zeigte sich, dass sich aus den Proteinen spontan kugelförmige Nanostrukturen mit Durchmessern zwischen 70 und 220 Nanometern bildeten. Die kleinsten Varianten erinnerten in ihrer Geometrie an eine Art »Nano-Fußball«, während die größten Strukturen mehr als dreimal so groß waren. Illustriert sind diese Strukturen nicht nur in der Publikation, sondern auch in einer Pressemitteilung von POSTECH.

Die wissenschaftliche Bedeutung der Arbeit liegt insbesondere darin, dass keine natürlichen Virusproteine modifiziert oder wiederverwendet wurden, stattdessen entstand die gesamte Architektur aus einem vollständig neu entworfenen Proteinbaustein.

Damit demonstrieren die Forschenden erstmals, dass sich die komplexen Organisationsprinzipien viraler Strukturen gezielt auf künstliche Biomaterialien übertragen lassen. Perspektivisch könnten solche Nanokäfige als vielseitige Plattformen für den Transport von Arzneistoffen, Nukleinsäuren und Enzymen sowie für neuartige Impfstofftechnologien dienen.

Die Publikation unterstreicht zugleich die wachsende Bedeutung generativer KI-Methoden für das De-novo-Design funktioneller Biomoleküle. Sie zeigt, dass künstliche Intelligenz nicht nur bestehende Proteinstrukturen analysieren, sondern zunehmend auch komplexe biologische Konstruktionsprinzipien reproduzieren und für biomedizinische Anwendungen nutzbar machen kann.