Warum KI-Unternehmen darum wetteifern, eine virtuelle menschliche Zelle zu bauen

(SeaPRwire) –   Eine menschliche Zelle ist eine Rube-Goldberg-Maschine wie keine andere, voller biologischer Kettenreaktionen, die den Unterschied zwischen Leben und Tod ausmachen. Das Verständnis dieser empfindlichen Beziehungen und wie sie bei Krankheiten schieflaufen, ist eine der zentralen Faszinationen der Biologie. Ein einziger Fehler in einem Gen kann das von ihm produzierte Protein in die falsche Form bringen. Ein falsch geformtes Protein kann seine Aufgabe nicht erfüllen. Und mangels dieses Proteins kann der Organismus – Sie – anfangen zu zerfallen.

Zellen sind jedoch so komplex, dass es schwierig ist, ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich das Versagen eines Proteins im System ausbreitet. Graham Johnson, ein Computerbiologe und wissenschaftlicher Illustrator am Allen Institute for Cell Science, erinnert sich, wie er vor über 15 Jahren an einem Mittagstisch davon fantasierte, ein so detailliertes, so vollständiges Computermodell einer Zelle zu erstellen, dass Wissenschaftler solche Prozesse beobachten könnten. Damals, so sagt er, „kicherten alle nur. Es war einfach zu unrealistisch.“

Doch nun nutzen einige Forscher KI, um neue Schritte auf dem Weg zum Ziel einer „virtuellen Zelle“ zu unternehmen. Google’s DeepMind ist , und die Chan Zuckerberg Initiative (CZI) hat virtuelle Zellen zu einem wichtigen Schwerpunkt in ihrem Biohub-Forschungsnetzwerk gemacht, sagt Theo Karaletsos, Senior Director of AI bei CZI. Es gibt sogar , eingerichtet vom Arc Institute, für Modelle im Stil einer virtuellen Zelle. Das Ziel all dieser Bestrebungen ist es, vorherzusagen, wie sowohl gesunde als auch kranke Zellen funktionieren, und zwar in so vielen Details, dass es möglich ist, die Entwicklung von Medikamenten zu beschleunigen und wissenschaftliche Entdeckungen zu forcieren. Virtuelle Zellen könnten, so meinen einige, sogar die Grundlagenforschung optimieren und Biologen vom Labortisch an die Tastatur verlagern.

Was ist überhaupt eine virtuelle Zelle?

Die genaue Definition einer virtuellen Zelle variiert je nachdem, mit wem man spricht. Einige Wissenschaftler, wie Johnson, hoffen, dass eine virtuelle Zelle eine visuelle Darstellung enthält, durch die man klicken und die man erkunden kann. Andere sehen sie primär als eine Reihe von Computerprogrammen, die Fragen beantworten und Vorhersagen darüber treffen können, was wahrscheinlich passieren wird. Aber das Konzept ist keine neue Idee. Seit Jahrzehnten erstellen Biologen mathematische Modelle zellulärer Prozesse. Um diese zu erstellen, ziehen Forscher Daten aus Experimenten mit echten Zellen heran und entwickeln Gleichungen, die beschreiben, was vor sich geht.

Dank Technologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Aktivitäten einzelner Zellen zu beobachten, gibt es heute mehr Daten über die menschliche Zelle als je zuvor. Aber für jeden Prozess Gleichungen zu finden und diese alle zusammenzufügen, ist eine monumentale Aufgabe. „Die alte Methode“ — manuell, das heißt — „hatte, würde ich sagen, nur sehr begrenzten Erfolg“, sagt Stephen Quake, Professor an der Stanford University und ehemaliger Leiter der Wissenschaft bei CZI. Letztes Jahr legten er und andere Forscher eine Vision für einen anderen Ansatz dar, bei dem Daten über Zellen direkt an spezialisierte KIs übermittelt werden. „Man erstellt Modelle, die direkt aus Daten lernen, anstatt zu versuchen, Gleichungen aufzuschreiben“, sagt er.

Quake und seine Kollegen hatten . Sie nutzten Daten von Zellen aus 12 verschiedenen Spezies, um eine KI zu trainieren. Die KI war dann in der Lage, genaue Vorhersagen über die Zellen von Spezies zu treffen, die sie noch nie zuvor gesehen hatte, sagt Quake. Sie war auch in der Lage, die Beziehungen zwischen verschiedenen Zelltypen einer einzelnen Spezies abzuleiten, obwohl ihr keine Informationen über diese Verbindungen gegeben wurden. „Das hat mich persönlich an diesem Ansatz super-begeistert“, sagt Quake.

Ein weiteres Forscherteam, darunter einige von Google DeepMind, ist . Sie haben KIs mit großen Datensätzen über Zellen trainiert, die es Benutzern ermöglichen, Fragen wie „Wie wird diese Zelle auf dieses Medikament reagieren?“ zu stellen und dann Antworten darüber zu erhalten, welche Teile der Zelle wahrscheinlich betroffen sein werden.

Dies sind nur einige der Ansätze, die Wissenschaftler zur Schaffung virtueller Zellen verfolgen. Es ist wahrscheinlich, dass es schließlich viele verschiedene Arten von virtuellen Zellen geben wird, die für unterschiedliche Arten von Forschern konzipiert sind. Die von einem Krebsbiologen verwendete virtuelle Zelle könnte sich beispielsweise von der eines Zellbiologen unterscheiden, der Fragen zur Evolution einer bestimmten Struktur beantworten möchte. Und es ist möglich, dass sie sowohl traditionelle Modellierungsansätze als auch KI verwenden.

Was uns virtuelle Zellen ermöglichen könnten

Virtuelle Zellen könnten die Entdeckung neuer Medikamente beschleunigen und erleichtern. Sie könnten auch Einblicke geben, wie Krebszellen das Immunsystem umgehen oder wie ein einzelner Patient auf eine bestimmte Therapie reagieren könnte. Sie könnten sogar Grundlagenwissenschaftlern helfen, Hypothesen über die Funktionsweise von Zellen aufzustellen, die sie zu Experimenten mit realen Zellen anleiten können. „Das übergeordnete Ziel hier“, sagt Quake, „ist es, die Zellbiologie von einem Feld, das zu 90 % experimentell und zu 10 % computergestützt ist, genau umzukehren.“

Einige Wissenschaftler stellen die Nützlichkeit von KI-Vorhersagen in Frage, wenn die KI keine Erklärung dafür liefern kann. „Die KI-Modelle sind normalerweise eine Black Box“, sagt Erick Armingol, Systembiologe und Postdoktorand am Wellcome Sanger Institute in Großbritannien. Mit anderen Worten, sie geben Ihnen eine Antwort, können Ihnen aber nicht sagen, warum sie Ihnen diese Antwort gegeben haben.

„Persönlich bin ich in diesem Bereich gelandet, weil ich den gesamten menschlichen Körper und die Art und Weise, wie Zellen miteinander verbunden sind und interagieren, simulieren wollte. Das ist der Traum“, sagt er. Black-Box-Antworten könnten für die Steuerung der Medikamentenentwicklung hilfreich sein, aber sie könnten für Grundlagenwissenschaftler – zumindest nicht so, wie viele KIs derzeit eingerichtet sind – nicht so nützlich sein. (Karaletsos von CZI sagt, dass einige ihrer KIs so eingerichtet sind, dass sie Erklärungen für ihre Überlegungen liefern. „Wir wollen verstehen, nicht nur vorhersagen“, sagt er.)

Johnson, der ein über die Bedeutung des Aufbaus virtueller Zellen verfasst hat, hofft, dass das, was Wissenschaftler letztendlich bauen, visualisierbar sein wird. Sein Ideal ist „eine visuelle, interaktive, intuitive Version von etwas Kompliziertem“, sagt er. „Ich denke, KI ist absolut entscheidend, um all dies zu ermöglichen. Ich bin einfach nicht an Black-Box-Vorhersagen als primäres Ergebnis interessiert.“

Unabhängig davon, wie sie gebaut werden, kann es noch eine Weile dauern, bis virtuelle Zellen irgendeiner Art in Betrieb sind. „Das ist nichts, was nächstes Jahr fertig sein wird“, sagt Quake. „Ich denke, es wird ein ganzes Jahrzehnt dauern, um das Potenzial zu realisieren.“

Aber seit diesem lange zurückliegenden Mittagessen, so Johnson, haben Fortschritte in der Zellbiologie und in der Informatik die Aussichten, eines Tages eine virtuelle Zelle zu haben, grundlegend verändert. „Ich fühle mich nicht mehr wie ein Verrückter, der nur darüber schimpft“, sagt er. „Es fühlt sich jetzt plausibel an.“