Einem Forschungsteam am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) auf dem Campus Riedberg ist ein bedeutender methodischer Durchbruch in der Biophysik gelungen. Die Wissenschaftler um FIAS-Senior-Fellow Roberto Covino und Doktorand Lars Dingeldein entwickelten in Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt, der University of Alberta und dem Flatiron Institute in New York ein Verfahren, das die räumliche Faltung von Molekülen innerhalb weniger Sekunden präzise rekonstruieren kann. Ihre Arbeit wurde in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und dort als sogenannte „Editors’ Suggestion“ besonders gewürdigt.
Das Problem bisheriger Messverfahren
Proteine und Nukleinsäuren sind die fundamentalen Bausteine des Lebens. Um ihre biologischen Funktionen zu erfüllen, müssen sie sich in exakt definierte dreidimensionale Strukturen falten. Kommt es dabei zu Fehlern, können schwere Erkrankungen wie die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) entstehen.
Um solche Faltungsprozesse in Echtzeit zu beobachten, nutzt die Forschung hochsensitive optische Pinzetten(1). Bei dieser Form der Einzelmolekül-Kraftspektroskopie(2) wird ein einzelnen Molekül unter leichte Spannung gesetzt. Die Herausforderung: Das Messgerät zeichnet nie die Bewegung des Moleküls allein auf. Das gemessene Signal ist stets ein Gemisch aus der Eigenbewegung des Moleküls, den elastischen Eigenschaften der molekularen Verbindungsglieder (Linker) und der Eigendynamik des Messgeräts. Um diese Einflussfaktoren voneinander zu trennen, waren bisher zeitintensive Messreihen – oft die 20- bis 100-fache Datenmenge – sowie aufwendige Kalibrierungen nötig.
KI vereinfacht die Signaltrennung
Das Team um Covino wählte einen völlig neuen Ansatz: Statt das Messgerät mühsam separat zu kalibrieren, simulierten die Forschenden das gesamte Experiment – inklusive Molekül, Linker und Messvorrichtung – im Computer. Anschließend trainierten sie ein neuronales Netz(3) mittels simulationsbasierter Inferenz (Simulation-Based Inference) darauf, aus den gemessenen Signalen direkt auf die zugrundeliegenden Faltungsmodelle zu schließen.
„Wir charakterisieren das Messgerät nicht mehr separat“, erläutert Roberto Covino das Prinzip. „Wir simulieren das Molekül zusammen mit dem Messgerät, und das neuronale Netz findet dann selbst heraus, welcher Anteil der gemessenen Bewegung vom Molekül stammt.“
Die Ergebnisse demonstrieren die Effizienz des Verfahrens:
- Zwei Sekunden Messdaten einer einzelnen DNA-Haarnadelstruktur genügen, um deren Energielandschaft(4) der Faltung ebenso exakt zu rekonstruieren wie mit bisherigen Langzeitmessungen.
- Fünf Sekunden Daten reichen aus, um vier verschiedene Faltungszustände eines sogenannten RNA-Riboswitch-Aptamers aufzulösen.
Relevanz für die Wirkstoffentwicklung
Die dramatische Verkürzung der Messzeit ermöglicht es erstmals, Faltungsprozesse systematisch und in hoher Durchsatzzahl zu vergleichen. Das ist insbesondere für die pharmazeutische Forschung von Bedeutung.
Das neue Verfahren wird bereits bei der Untersuchung bakterieller Riboswitches eingesetzt, die als potenzielle Zielstrukturen für neuartige Antibiotika gelten. Auch bei der Analyse fehlgefalteter Proteine im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen verspricht die Methode Fortschritte. Da sich nun aus minimalen Datenmengen präzise Modelle gewinnen lassen, rückt die breite Nutzung von Faltungslandschaften in der computergestützten Wirkstoffentwicklung in greifbare Nähe.
Wissenschaftliche Fachbegriffe erklärt
(1) Optische Pinzette: Ein physikalisches Instrument, das stark fokussierte Laserstrahlen nutzt, um mikroskopisch kleine Objekte oder einzelne Moleküle ohne direkten mechanischen Kontakt zu halten und zu bewegen.
(2) Einzelmolekül-Kraftspektroskopie: Eine experimentelle Methode, mit der die mechanischen Eigenschaften und Verformungen einzelner Moleküle gemessen werden, indem kontrollierte Kräfte im Pikonewton-Bereich auf sie ausgeübt werden.
(3) Neuronales Netz: Ein Algorithmus aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz, der nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns aufgebaut ist und in der Lage ist, komplexe Muster in Daten zu erkennen und Zuordnungen zu erlernen.
(4) Energielandschaft (Faltungslandschaft): Eine mathematische und physikalische Darstellung aller möglichen räumlichen Anordnungen eines Moleküls und der dazugehörigen Energiezustände. Sie zeigt auf, welche Zustände stabil sind und welche Wege das Molekül bei der Faltung bevorzugt.