Bakteriophagen mithilfe von Genom-Sprachmodellen erstellen

„KI-Modelle werden bereits für verschiedene Fragestellungen erfolgreich eingesetzt, von der Grundlagenforschung – etwa um molekulare und zelluläre Prozesse sowie Ursachen verschiedener Krankheiten zu verstehen – bis hin zu Anwendungen in der Biotechnologie und Medizin [1]. Beispiele sind die Identifizierung von Zielmolekülen für Medikamente oder das Design möglichst geeigneter Wirkstoffe sowie in der industriellen Biotechnologie die Um- oder Neugestaltung von Enzymen und Stoffwechselwegen in Mikroorganismen, um etwa Chemikalien herzustellen.“

„Mithilfe KI-basierter DNA-Sprachmodelle wie Evo 1 oder Evo 2 konnten ganze Genome und Organismen entworfen beziehungsweise generiert werden, die so in der Natur nicht vorkommen. Wie komplex so generierbare ‚neue‘ Genome und Organismen sein können und inwiefern sich tatsächlich neue Eigenschaften gezielt generieren lassen, bleibt jedoch auch nach der Arbeit von King et al. abzuwarten. So zielten die Designvorgaben in der Arbeit nicht auf die Generierung neuer Eigenschaften, sondern auf den Erhalt vorhandener Eigenschaften der verwendeten Designvorlage ab: eines einfachen bakterienbefallenden Virus namens ΦX174 mit sehr kleinem Genom. Die Genome der erhaltenen wenigen funktionellen Viren waren zu 93,2 bis 98,8 Prozent identisch mit der Designvorlage.“

„Eine zentrale Befürchtung der internationalen Sicherheitsdiskussion um KI-Anwendungen in der Biotechnologie [1] [2] ist, dass sich über KI-Modelle Krankheitserreger wie pandemische Viren gezielt verbessern lassen oder sich gar völlig neue Erreger generieren und als biologische Waffen nutzen lassen – auch durch nichtstaatliche Akteure. Ob sich relevante, komplexe Eigenschaften wie die Übertragbarkeit oder die Umgehung von Immunreaktionen so gezielt und effektiv verbessern lassen, ist unklar. Zwar können bestimmte KI-Modelle bereits Vorhersagen zu kurzzeitigen Auswirkungen von Mutationen in Gensequenzen, etwa von Viren wie SARS-CoV-2, auf manche dieser Eigenschaften treffen. Die Möglichkeiten, Auswirkungen solcher Mutationen über mehrere Infektionszyklen hinweg vorherzusagen, könnten aber auch mit mehr und hochwertigeren Daten zukünftig begrenzt bleiben [3]. Zur Entwicklung völlig neuer pathogener Viren fehlen bislang die erforderlichen großen und qualitativ hochwertigen Datensätze für entsprechende KI-Modelle. Zudem könnte die Evolution der neuen Viren auch mit diesen Modellen nicht zuverlässig vorhersagbar sein [3]. Alle Entwürfe für veränderte oder neu designte Genome beziehungsweise pathogene Viren dürften darüber hinaus experimentell getestet werden müssen. Hierfür sind Fachkenntnisse und eine entsprechende Ausstattung beispielsweise für Tierversuche notwendig. Verfügbare Datensätze könnten sich jedoch zukünftig ändern und KI-Biodesignmodelle entwickeln sich rasant.“

„Angesichts der hochdynamischen KI-Entwicklungen dürfte es zum einen notwendig sein, Entwicklungen bei kritischen biologischen Datensätzen und KI-Biodesignmodellen einem kontinuierlichen Monitoring zu unterziehen, um Risiken regelmäßig neu bewerten und mögliche vorsorgende Maßnahmen anpassen zu können [1] [3]. Zum anderen müssen aufgrund unterschiedlicher Möglichkeiten und daraus resultierender Bedrohungen durch staatliche und nichtstaatliche Akteure solche Maßnahmen unterschiedliche Ebenen adressieren [1].“

„Zu diesen Maßnahmen könnte eine verpflichtende Überprüfung von Nukleinsäuresynthesen und den beauftragenden Kunden durch Syntheseanbieter gehören, wie sie im geplanten EU-Biotech-Act vorgesehen ist [4] [5]. Prinzipiell könnten auch nach Risikopotenzial abgestufte Zugangskontrollen zu leistungsfähigen Biodesignmodellen [6] oder zu bestimmten neuen Datensätzen [7] für deren Entwicklung implementiert werden. Diese Option müsste jedoch sehr sorgfältig gegen mögliche negative Auswirkungen abgewogen werden, etwa hinsichtlich der biomedizinischen Forschung. Beide Maßnahmen könnten potenzielle Bedrohungen durch Staaten aufgrund eigener Synthesekapazitäten und Möglichkeiten, die Zugangskontrollen zu umgehen, jedoch kaum reduzieren. Zur Kontrolle von Staaten erscheint es nötig die Biowaffenkonvention durch die Entwicklung eines bisher fehlenden Verifikationsregimes [8] zu stärken. Ein weiteres Element zur Risikoreduktion durch Bedrohungen von staatlichen sowie nichtstaatlichen Akteuren kann der Ausbau von Biodefense-Maßnahmen sein [1] [3], einschließlich KI-Möglichkeiten zur Früherkennung von Erregern sowie zur Entwicklung schnell skalierbarer medizinischer Gegenmaßnahmen, wie zum Beispiel Impfstoffe [9].“

„Die in der aktuellen Publikation vorgestellten Methodiken zur Generierung neuartiger, synthetischer Bakteriophagengenome – dem genetischen Material von spezialisierten Viren, die Bakterien befallen – mittels künstlicher Intelligenz (KI) treten neben bereits etablierten Methoden wie die gerichtete Evolution (im Laborversuch) oder das rationale Design neuer Genome (arbeitsintensive Planung und Evaluierung im Laborversuch). Das ist ein wichtiger technologischer Fortschritt. Ein möglicher enormer Vorteil ist die Effektivität des KI-basierten Ansatzes zum Entwurf neuer Phagengenome – tausende generiert, knapp 300 durch chemische Synthese erzeugt und im Laborversuch getestet.“

„Die hier demonstrierte Effektivität der Generierung neuartiger Phagen de novo ist bereits beeindruckend. Es wurden 16 vermehrungsfähige Phagen etabliert. Das entspricht etwa fünf Prozent der insgesamt getesteten synthetisierten Bakteriophagen. Eine weitergehende Automatisierung der Synthese und Testung artifizieller Phagengenome kann die Ausbeute bei vergleichbarem Zeitaufwand entscheidend verbessern.“

„Anwendungspotenziale liegen zum Beispiel in der Grundlagenforschung zur gentechnischen Veränderung von Bakterien durch Transduktion (Gentransfer durch Bakteriophagen, bei denen Genomfragmente gezielt übertragen werden; Anm. d. Red.) via gezielt erzeugten Bakteriophagen. Außerdem in der adaptiven Entwicklung von Bakteriophagen als Therapeutikum für schwierig zu behandelnden, antibiotikaresistenten Bakterien sowie der Einsatz von Bakteriophagen in Forschung und Entwicklung der industriellen Biotechnologie. In der Publikation wird bereits die Weiterentwicklung der KI-basierten Methoden für die Synthese auch komplexerer Genome skizziert, was schlussendlich die Generierung vollständig neuer, artifizieller Viren oder genetisch vereinfachter bakterieller Mikroorganismen möglich machen könnte.“

„Gefahrenpotenziale der publizierten Methoden betreffen den biologischen Arbeitsschutz (biosafety) zur Verhinderung von Schäden für Mensch und Umwelt sowie die mögliche missbräuchliche Verwendung (biosecurity) durch Dritte für feindselige oder kriminelle Zwecke. Die hier vorgestellten Methoden und Forschungsergebnisse weisen einen eindeutigen Dual-Use-Charakter auf, es sind Forschungsarbeiten mit doppeltem Verwendungszweck.“

„Sehr positiv hervorzuheben ist, dass die Autor:innen zu den vorgenannten Aspekten der Biosicherheit umfangreich Stellung nehmen. Zum Beispiel wurde die unbeabsichtigte Generierung eukaryotischer Viren, die potenziell auch Menschen oder Tieren infizieren und krank machen könnten, durch die gezielte Auswahl der Trainingsdaten verhindert. Aber naheliegenderweise wäre genau der umgekehrte Weg derjenige zur Erzeugung gefährlicher, bisher nicht bekannter humanpathogener Viren. Es ist wichtig, diese Dual-Use-Aspekte nicht zu negieren. Die hier vorgenommene transparente und aufrichtige Einordnung der Gefahrenpotenziale und Sicherheitsimplikationen der eigenen Arbeiten ist aus forschungsethischer Perspektive daher sehr zu begrüßen.“

„Hervorzuheben ist die strikte Einhaltung von Biosicherheitsmaßnahmen im Laborbetrieb, um den unerwünschten Austrag synthetischer Bakteriophagen und einen unberechtigten Zugriff auf die biologischen Agenzien (wirkungsaktive Substanzen; Anm. d. Red.), Materialien und das Methodenwissen bestmöglich zu verhindern. Diese Maßnahmen sollten unbedingt von unabhängiger Seite wissenschaftlich und durch Behörden begleitet und überwacht werden.“

„Für den wissenschaftlichen Fortschritt ist entscheidend, die richtige Balance zwischen Forschungsfreiheit und der Regulation sicherheitsrelevanter Forschungsaktivitäten zu finden. Hierfür gibt es noch keinen international rechtsverbindlichen Standard oder multilateralen Kontrollvertrag. Das Biowaffenübereinkommen von 1975 stellt jede Verwendung von biologischen Agenzien für feindselige Zwecke unter ein generelles Verbot. Dual-Use-Anwendungen und Forschung mit Dual-Use-Potenzial fallen vielfach nicht unter diese Verbotsnorm (so ist auch Bioverteidigungsforschung erlaubt).“

„Ansätze zur Regulation sicherheitsrelevanter Forschung finden sich in der aktuellen ‚US Government Policy for Stopping High-Risk Life Sciences Research‘ vom Juli 2026 [II], eine Verschärfung bestehender US-Richtlinien im Nachgang der COVID-19-Pandemie. Der eingeführte Begriff ‚Dangerous Gain-of-Function (DGOF) Research‘ zielt auf die künstlich eingeführten neuen Funktionsmerkmale in gefährlichen biologischen Agenzien, zu denen zum Beispiel auch hochvirulente Viren zählen, ab. Die Forschungsarbeiten der Autor:innen könnten perspektivisch unter diese Richtlinie fallen, sollte sich der Fokus auf tier- oder humanpathogene Viren verlagern. Aber auch die Erzeugung von Bakteriophagen, die für Mensch und Umwelt nützliche Bakterien ausschalten, kann Hochrisikoforschung in den Lebenswissenschaften darstellen.“

„Die Weltgesundheitsorganisation WHO zielt mit der aktuellen ‚Laboratory Biosecurity Guidance‘ von 2024 auf eine verbesserte internationale Harmonisierung von Maßnahmen zur Missbrauchsvermeidung in den Lebenswissenschaften und der Biomedizin ab. Die von King et al. publizierten Ergebnissen lassen sich als Grundlagenforschung klassifizieren, eine weitergehende Anwendung mit Dual-Use-Potenzial lässt sich durch bestehende internationale Verträge oder Richtlinien sowie nationale Gesetze nur sehr beschränkt verhindern, was die Forschungsfreiheit stärkt.“

„Auf dem Weg zu einem möglichen internationalen Abkommen zur friedlichen Nutzung von künstlicher Intelligenz in Wissenschaft und Technik sollten Selbstregulationsmechanismen durch die Fachgemeinschaften implementiert werden, um normative Mechanismen in Wirkung zu setzen. Die Tianjin Biosecurity Richtlinien [10] können als Basis für die Implementierung KI-spezifischer Handlungsempfehlungen in den Lebenswissenschaften herangezogen werden. Entscheidende Kriterien für die Einschränkung KI-gestützter Generierung synthetischer Bakteriophagen sollten durch multidisziplinäre Expertengruppen in einem engen Zeitfenster entwickelt werden. Besonders relevante Einschränkungen sollten auf die möglichst enge Auswahl der bakteriellen Wirtsorganismen zielen, nur unbedingt nötige biologische Funktionen sollten in den artifiziellen Phagengenomen kodiert werden und diese durch gezielt eingeführte genetische Identifikationsmerkmale möglichst rückführbar gemacht werden (bio-barcoding).“

„Besonders bedenklich ist die Entwicklung künstlich erzeugter Phagencocktails (Mischung mehrerer Phagenspezies), die die natürliche Phagenresistenz von Bakterienstämmen überwinden können. Derartige Forschungen sollten nur unter größten Sicherheitsauflagen und bei besonders bedeutsamen Fragestellungen, zum Beispiel aus der Biomedizin, vorgenommen werden. Hier liegt ein besonderes Sicherheitsrisiko vor, welches durch verantwortungsvolle Arbeitsweisen in der Wissenschaft limitiert werden müssen.“