Mehr Präzision bei DNA-Manipulation: KI half bei der Entwicklung

Forscher vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften melden einen Durchbruch bei der präzisen Manipulation von großen DNA-Abschnitten. Ihre Methode eigne sich für Tausende bis Millionen Basenpaare und erlaube das Editieren von Erbgut bei Pflanzen und Tieren gleichermaßen. Sein Forschungsergebnis veröffentlichte das Team um Gao Ciaxia online im Fachjournal Cell.

Grundlage der Forschung ist das Rekombinations-System Cre-Lox, das die gezielte Manipulation von DNA erlaubt. Dabei markieren zwei Abschnitte von Basenpaaren, die sogenannten LoxP-Stellen, den zu verändernden DNA-Abschnitt. Die als Cre bezeichnete Rekombinase ist ein Enzym, das an den LoxP-Stellen andockt und den gewünschten Abschnitt beispielsweise heraustrennt oder umkehrt.

DNA erfolgreicher manipulieren

Diese laut den Forschern vielversprechende Methode habe mehrere Probleme, die die neuen Verfahren lösen sollen. Ein großes Problem der Methode seien etwa die sogenannten reversiblen Rekombinationsreaktionen als unerwünschte Effekte. Die sorgen dafür, dass die vorgenommenen Manipulationen am Genom wieder rückgängig und damit zunichtegemacht werden. Mit ihrem Verfahren hätten sie die Ausprägung dieses Phänomens um den Faktor zehn senken können. Zudem hätten sie eine Methode entwickelt, um nahtlose Genomveränderungen zu gewährleisten. Die herkömmliche Manipulation mit dem zugrundeliegenden Verfahren sei dagegen mit einer Art Narbenbildung in der DNA verbunden.

Für ihre Forschung entwickelte das Team neue Rekombinasen mithilfe Künstlicher Intelligenz. Die so erschaffenen Enzyme hätten eine 3,5-fach höher Rekombinationseffizienz, als der ursprüngliche Wildtyp des Enzyms gezeigt. Die KI-gestützte Methode zur Konstruktion von Proteinen (Enzyme sind meist Proteine) haben Forscher desselben Instituts um Gao Ciaxia erst einen Monat zuvor im Fachjournal Cell veröffentlicht. Dabei würden KI-Modelle auf Grundlage von dreidimensionalen Proteinstrukturen gezielt kompatible Aminosäuresequenzen generieren, wobei sie bestimmte strukturelle Grenzen als Einschränkung beachten. Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen. So helfe KI beim effizienten Protein-Engineering.

Um ihr Forschungsergebnis in einer konkreten Anwendung zu untermauern, setzten die Forscher es ein, um herbizidresistenten Reis zu erzeugen. Dazu drehten sie mit ihrem Verfahren einen 315 Kilobasen großen Abschnitt in dessen DNA um.

(dgi)