Wissenschaftler aus aller Welt haben sich an eines der kühnsten Projekte der modernen Biologie gewagt. Sie wollen eine künstliche Intelligenz entwickeln, die präzise vorhersagen kann, wie sich eine menschliche Zelle verhält, wenn sie einem Medikament, einer genetischen Veränderung oder einer Krankheit ausgesetzt wird. Hinter dem Projekt mit dem Namen Virtual Biology Initiative stehen das Forschungsinstitut Biohub, das US-Energieministerium, die National Institutes of Health sowie die Technologieunternehmen Google DeepMind, Isomorphic Labs und Meta. Diese Woche kündigten sie eine deutliche Ausweitung des Projekts an.
Experimente im Computer
Das Ziel ist eine sogenannte virtuelle Zelle. Dabei handelt es sich um ein Computermodell, an dem Wissenschaftler Experimente digital durchführen könnten, anstatt jede Hypothese monatelang im Labor zu überprüfen. Der wissenschaftliche Leiter von Biohub, Alex Rives, erklärt, dass ein präzises Modell Entdeckungen dramatisch beschleunigen, Ärzten völlig neue Behandlungswege eröffnen und Wissenschaftlern helfen könnte, Krankheiten wesentlich tiefgreifender zu verstehen. Die Entwicklung einer virtuellen Zelle betrachtet er daher als eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen der kommenden Jahre.
Ähnlich sieht es auch Nicole Kleinstreuer von den National Institutes of Health. Ihrer Ansicht nach könnten universelle Zellmodelle die Reaktion jeder beliebigen Zelle auf jeden beliebigen Eingriff vorhersagen. Der Weg zu neuen Medikamenten wäre dann deutlich kürzer, als wenn sich Wissenschaftler ausschließlich auf Experimente im Labor verlassen würden.
Den Modellen fehlen Daten
Künstliche Intelligenz ist jedoch nur so gut wie die Daten, mit denen sie trainiert wird. Und davon gibt es in der Biologie bislang zu wenige. Wissenschaftler kennen heute nur die Reaktionen einer begrenzten Anzahl von Zelltypen unter begrenzten Bedingungen. Das neue Projekt will dies ändern und Daten darüber sammeln, wie Zellen auf Veränderungen reagieren – über ein wesentlich breiteres Spektrum von Zellen und Situationen hinweg, als jemals zuvor untersucht wurde.
Pushmeet Kohli von Google DeepMind bringt es unverblümt auf den Punkt: Seiner Ansicht nach kann niemand eine virtuelle Zelle entwickeln, ohne offene experimentelle Daten in einem bislang beispiellosen Umfang. Max Jaderberg von Isomorphic Labs ergänzt, dass keine Organisation allein eine solche Menge an Informationen erzeugen könne.
Mikroskope, Supercomputer und Labore ohne Menschen
Zur Untersuchung der Zellen werden die Wissenschaftler eine ganze Reihe von Technologien einsetzen. Die Kryoelektronentomografie kann Vorgänge im Inneren einer Zelle mit einer Detailgenauigkeit erfassen, die bis nahe an einzelne Atome heranreicht. Neue Mikroskope werden Millionen bis Milliarden von Zellen direkt in lebendem Gewebe abbilden. Die Wissenschaftler wollen außerdem Werkzeuge entwickeln, mit denen sie biologische Systeme gezielt verändern können – von einzelnen Molekülen über Zellen und Gewebe bis hin zu ganzen Organismen.
Das US-Energieministerium wird sein Netzwerk nationaler Labore in das Projekt einbinden. Diese verfügen über die leistungsstärksten Supercomputer der Welt, Röntgen- und Neutronenmessverfahren sowie automatisierte Labore, die Experimente selbstständig durchführen. Die National Institutes of Health wiederum werden umfangreiche Datenbanken beisteuern, die im Laufe jahrelanger geförderter Forschung entstanden sind. Gemeinsam mit Biohub werden sie diese so aufbereiten, dass damit Modelle künstlicher Intelligenz trainiert werden können.
Offen für die ganze Welt
Alle Daten werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft öffentlich zugänglich sein. Biohub entwickelt daher gemeinsame Standards, eine einheitliche Kennzeichnung und eine zentrale Anlaufstelle, über die Forschende auf die Daten zugreifen können. So werden Informationen aus verschiedenen Laboren miteinander kompatibel sein und sich von Wissenschaftlern problemlos kombinieren lassen.
Dem Projekt haben sich auch renommierte Institutionen mit umfassender Erfahrung in großen internationalen Projekten wie dem Humangenomprojekt angeschlossen. Dazu gehören das Allen Institute, das Broad Institute, die Gladstone Institutes, das Wellcome Sanger Institute sowie die Konsortien Human Cell Atlas und Human Protein Atlas. Nvidia wird Rechentechnik und Software beisteuern.
Biohub verfügt bereits über Erfahrung mit offenen Daten. In den vergangenen zehn Jahren leitete es Projekte wie Tabula Sapiens, das die Zellen des menschlichen Körpers kartiert, OpenCell oder Zebrahub, das sich mit der Entwicklung des Zebrabärblings befasst. Im Rahmen der neu angekündigten Erweiterung lädt Biohub nun Wissenschaftler aus aller Welt dazu ein, sich an der Arbeit an der virtuellen Zelle zu beteiligen.
Quelle: biohub.org
