Laurynas Karpus, Vykintas Jauniškis und Irmantas Rokaitis

Enzyme werden in den verschiedensten Industriebranchen genutzt. Viele kommerziell erhältliche Enzyme sind jedoch nicht für eine spezifische Anwendung optimiert und bieten deshalb nur eine begrenzte Effizienz und Skalierbarkeit. Die herkömmliche Enzymherstellung folgt einem Top-down-Ansatz, mit dem vorhandene natürliche Enzyme verändert werden. Diese Methode schränkt die Anzahl der herstellbaren Molekülarten und der unterstützten Reaktionen und Eigenschaften ein. Dies begrenzt wiederum die Vielfalt der möglichen Produkte und Technologien. Die litauischen Unternehmer Karpus, Jauniškis, Rokaitis und ihr Team bei Biomatter haben Intelligent Architecture™ eingeführt, eine KI-basierte Enzym-Engineering-Plattform, mit der Enzyme von Grund auf aufgebaut werden können, anstatt ein natürliches Enzym als Ausgangsprodukt zu verwenden und zu modifizieren. Die Methode hat das Potenzial, Fortschritte in der Biotechnologie deutlich zu beschleunigen, indem Enzyme hergestellt werden können, die spezifisch für bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind. 

Die Plattform nutzt KI und physikalische Modellierung zum Design von Enzymen auf Molekülebene. KI-Modelle, die mit umfangreichen Datasets natürlicher und synthetischer Enzyme trainiert wurden, ermitteln optimale Enzymstrukturen und verfeinern diese weiter. Diese Methode unterscheidet sich vom herkömmlichen Ansatz, weil sie zuerst die gewünschte chemische Reaktion definiert und die Herstellung von neuen Enzymen ermöglicht, die in der Natur nicht vorkommen. Die Genauigkeit und Effizienz der Plattform werden kontinuierlich durch Einspeisung neuer Daten aus Experimenten verbessert. 

Fortschritte im Bereich der Bioökonomie 

Die Erfinder lernten sich am Institute of Biotechnology der Vilnius University kennen, wo sie, angeregt von Entwicklungen im Bereich der KI-basierten Bildgebung, ähnliche Techniken des maschinellen Lernens auf das Enzymdesign anwendeten. Sie erstellten ein Generative Adversarial Network-Algorithmus zur Herstellung neuer, funktionaler Enzyme, und veröffentlichte ihre Arbeit zum "ProteinGAN" getauften Prozess in das Nature Machine Intelligence Journal. Die Erfinder arbeiteten zunächst mit Forschern an der Chalmers University of Technology zusammen, die ihre KI-generierten Enzyme testeten und deren Funktionalität bestätigten. Angetrieben durch die positiven Ergebnisse der Experimente gründeten sie 2018 gemeinsam mit Donatas Repečka und Rolandas Meškys das Unternehmen Biomatter. 

 Seit der Gründung des Unternehmens wurde die entwickelte Methode erfolgreich in verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt. Biomatter entwickelte beispielsweise zusammen mit Kirin Enzyme zur Herstellung von Humane Milch-Oligosacchariden (HMO), wichtige Nährstoffe für Säuglinge, die schwer in großen Volumen herstellbar sind. Eine weitere Zusammenarbeit mit ArcticZymes Technologies widmet sich der Optimierung von Enzymen für die Molekulardiagnostik und Arzneimittelherstellung, beispielsweise für die Gentherapie und Impfstoffherstellung. 

 Karpus ist begeistert von der Arbeit und vom Erfolg des Teams: "Ich schätze mich unheimlich glücklich mit meinem Team, das von den Gründungsmitgliedern auf inzwischen 30 passionierte Mitarbeiter gewachsen ist." 

Ein Beitrag zum Erreichen der Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) 

Die KI-gestützte Enzymdesignmethode des Unternehmens unterstützt Nachhaltigkeitsziel 3 (Gesundheit und Wohlergehen), indem sie die Herstellung neuer Proteine und Enzyme ermöglicht, die wiederum als Grundlage für neue Arzneimittel und Therapien und eine verbesserte Diagnostik dienen können. Sie unterstützt außerdem Nachhaltigkeitsziel 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur), indem sie eine Plattform bereitstellt, die in verschiedenen Branchen Anwendung findet.