John Jumper: AlphaFold entschlüsselt Proteinstrukturen

John Jumper hat mit AlphaFold das Verständnis der Proteinstrukturen komplett verändert. Das von ihm und Demis Hassabis entwickelte KI-Tool sagt die 3D-Struktur von Proteinen präzise voraus. Diese Entdeckung beschleunigt die medizinische Forschung und wurde 2024 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Ein Durchbruch in der Biologie

John Jumper wollte ein Problem lösen, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt: Wie lassen sich die dreidimensionalen Strukturen von Proteinen genau vorhersagen? Diese Frage ist entscheidend, denn die Form eines Proteins bestimmt seine Funktion im Körper. Eine präzise Vorhersage ermöglicht es, Krankheiten besser zu verstehen und gezielt Medikamente zu entwickeln.

Der Durchbruch kam im Jahr 2020, als Jumper zusammen mit Demis Hassabis von Google DeepMind das KI-Tool AlphaFold2 präsentierte. Diese Technologie kann die Struktur fast aller bekannten Proteine vorhersagen – und das mit einer Genauigkeit, die nur um die Breite eines Atoms von der Realität abweicht. Die Fachwelt war beeindruckt: Die Organisatoren des Wettbewerbs CASP erklärten das jahrzehntelange Problem des Protein-Foldings als gelöst.

So funktioniert AlphaFold

Wie ist das möglich? AlphaFold nutzt künstliche Intelligenz, um die Aminosäuresequenz eines Proteins in seine dreidimensionale Struktur zu übersetzen. Dabei analysiert das Modell Millionen bekannter Proteine und erkennt Muster, die für die Faltung entscheidend sind. Diese Informationen kombiniert es mit physikalischen Prinzipien, um die wahrscheinlichste Struktur vorherzusagen.

„Wir wollten eine Technologie entwickeln, die der gesamten Wissenschaft zugutekommt“, sagte Jumper in einem Interview. Tatsächlich stellt DeepMind die Vorhersagen von AlphaFold kostenlos zur Verfügung. Über eine öffentliche Datenbank können Forscher weltweit die Strukturen von mehr als 200 Millionen Proteinen abrufen. Das beschleunigt nicht nur die Grundlagenforschung, sondern auch die Entwicklung neuer Medikamente und Therapien.

Anwendung in Medizin und Umweltforschung

Die Einsatzmöglichkeiten von AlphaFold sind enorm. In der Medizin hilft das Tool, die Strukturen von Proteinen zu entschlüsseln, die an Krankheiten wie Alzheimer, Krebs oder COVID-19 beteiligt sind. Dadurch können Forscher gezielt Wirkstoffe entwickeln, die an diesen Proteinen ansetzen.

Aber auch die Umweltforschung profitiert. So nutzen Wissenschaftler AlphaFold, um Enzyme zu identifizieren, die Plastik schneller abbauen können. Das könnte helfen, die wachsende Verschmutzung der Ozeane zu bekämpfen.

Ein Beispiel für den medizinischen Erfolg ist die Arbeit von David Baker an der University of Washington. Mithilfe von AlphaFold entwickelte sein Team Proteine, die gezielt an Viren andocken und sie unschädlich machen können. Diese Forschung könnte die Grundlage für neue antivirale Medikamente bilden.

Der Weg zum Nobelpreis

Der Erfolg von AlphaFold blieb nicht unbemerkt. Im Jahr 2024 wurde John Jumper zusammen mit Demis Hassabis und David Baker mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften würdigte damit ihre bahnbrechenden Beiträge zur Vorhersage von Proteinstrukturen und zum computergestützten Protein-Design.

Die Jury erklärte: „Mit AlphaFold haben Jumper und Hassabis ein Werkzeug geschaffen, das die Biologie grundlegend verändert. Ihre Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten in der Medizin, der Umwelttechnik und der Grundlagenforschung.“

Vorhersage sehr komplex

Der Weg zu diesem Erfolg war jedoch nicht einfach. Lange Zeit glaubten viele Wissenschaftler, dass die Vorhersage von Proteinstrukturen zu komplex sei. Proteine bestehen aus Hunderten von Aminosäuren, die sich auf unzählige Arten falten können. Doch Jumper und sein Team ließen sich nicht entmutigen. Mit viel Geduld und innovativen Ansätzen gelang es ihnen, die Grenzen der KI zu überwinden.

Trotz des Erfolgs gibt es noch Herausforderungen. AlphaFold kann zwar die Struktur einzelner Proteine vorhersagen, doch das Verhalten von Proteinen in komplexen Zellumgebungen ist weiterhin schwer zu verstehen. Auch die Vorhersage von Protein-Dynamiken – also wie sich Proteine im Laufe der Zeit verändern – bleibt eine offene Frage.

Ein Werkzeug für die Wissenschaft der Zukunft

Was bedeutet dieser Durchbruch für die Zukunft? AlphaFold hat gezeigt, wie KI die Wissenschaft beschleunigen kann. Forscher können nun schneller Hypothesen testen und neue Ansätze entwickeln. Das spart Zeit und Kosten – und ermöglicht es, Krankheiten gezielter zu bekämpfen.

John Jumper betont, dass der Erfolg von AlphaFold nur der Anfang ist. „Wir stehen erst am Anfang dessen, was mit KI möglich ist“, sagt er. Sein Ziel ist es, die Technologie weiterzuentwickeln, um noch komplexere biologische Prozesse zu entschlüsseln.