Was sind Proteine? Proteine sind überlebenswichtige Maschinen des Proteine bestehen aus Aminosäuren, von denen es 20 Lebens, die in allen Lebwesen vorkommen. Sie ha- verschiedene gibt. Sie werden in langen Ketten durch ben im Körper ganz unterschiedliche Aufgaben und Peptidbindungen aneinander gereiht (Primärstruktur). spielen bei den meisten biologischen Prozessen eine Aufgrund von Interaktionen zwischen den Rückgrat- entscheidende Rolle. Sie fungieren beispielsweise in gruppen der Aminosäuren bildet sich eine gefaltete Form von Enzymen als Katalysatoren und machen Sekundärstruktur (z.B. alpha-Helix). Da auch die Seiten- zahlreiche chemische Reaktionen erst möglich. Als ketten der Aminosäuren miteinander wechselwirken, Kollagen geben sie Zellen und Geweben ihre Form und kommt es zur Bildung von dreidimensionalen Struktu- Festigkeit. Sie schützen uns in Form von Antikörpern ren (Tertiärstruktur), die für die Funktion eines Prote- vor Infektionen, dienen als Hormone und übertragen ins eine entscheidende Rolle spielen. In vielen Fällen Informationen. In Form von Hämoglobin transportie- besteht ein Protein aus mehreren dieser dreidimensi- ren sie Sauersto昀昀 und auch bei der Muskelkontraktion onalen Polypeptidketten, die dann in der Quartästruk- und Bewegung von Zellen sind Proteine beteiligt. Ohne tur einen Komplex bilden. Hämoglobin beispielsweise Proteine ist Leben nicht möglich. besteht aus vier Polypeptidketten. SNI INSight: Wie arbeitet Alphafold? Janani Durairaj: AlphaFold verwendet neuronale Netz- werke, um die 3D-Struktur von Proteinen vorherzusagen. AlphaFold nutzt die Aminosäuresequenz des zu untersu- chenden Proteins und sucht ähnliche Sequenzen in einer riesigen Datenbanken, die inzwischen über eine Milliarde sequenzierter Proteine von ganz unterschiedlichen Orga- nismen enthält. Dabei sucht AlphaFold nach sogenannten koevolutionären Signalen – das sind Aminosäurepaare, die sich im Laufe der Evolution gemeinsam verändert haben. Bereits vor den 90er Jahren existiert das Konzept, Koevolution für die Strukturvorhersage zu nutzen. Die Forschenden bemerkten, dass Aminosäurenpaare, die sich im Laufe der Evolution immer gemeinsam verändert haben, in der dreidimensionalen Proteinstruktur norma- lerweise miteinander in Kontakt stehen. Und auch um- gekehrt gilt die Annahme, dass sie sich wahrscheinlich Janani Durairaj arbeitet im Rahmen ihrer Forschung mit AlphaFold. gemeinsam entwickeln, wenn sie in Kontakt stehen. Darauf basierend sagt AlphaFold dann eine erste 3D-Struktur voraus, die der evolutionären Darstellung auch deren chemische Eigenschaften (z. B. hydrophil oder der eingegebenen Proteinsequenz am besten entspre- hydrophob). Die KI versteht immer besser, wie einzelne chen würde. Anhand einer zweiten Datenbank, in der Aminosäuren miteinander interagieren und ob sich eine etwa 200.000 experimentell ermittelte Proteinstrukturen Aminosäurenkette durch die Interaktion biegt, verknotet enthalten sind, lernt AlphaFold2 dann ständig dazu, wel- oder eine Schleife bildet. Auf dieser Grundlage berechnet che Aminosäuresequenzen zu welcher Proteinstruktur sie, wie sich das Protein im Raum zusammenfaltet. führen. Durch die Entwicklung dieses ausgeklügelten Schliesslich liefert AlphaFold2 ein detailliertes internen Modells, das das koevolutionäre Signal auf be- 3D-Modell des Proteins, das zeigt, wie sich die verschie- kannte Proteinstrukturen abbildet, ist AlphaFold2 in der denen Teile des Proteins (wie Schleifen, Helices und Blätt- Lage, dasselbe Modell zu verwenden, um unbekannte chen) zu einer funktionellen Form zusammenfügen. Strukturen vorherzusagen. Die KI analysiert auch die Wechselwirkungen zwi- schen den Aminosäuren, erkennt Muster durch Messung von Abständen und Winkeln zwischen den verschiedenen Aminosäuren und berücksichtigt über die Aminosäure SNI INSight Dezember 2024 5