Neues KI-Modell AlphaGenome von Google DeepMind verbessert Verständnis der Genregulation

Revolution in der Genforschung: Wie Google DeepMinds AlphaGenome die Genregulation entschlüsselt

Die Genetik hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, insbesondere seit der vollständigen Sequenzierung des menschlichen Genoms. Doch die reine Kenntnis der DNA-Abfolge reicht nicht aus, um die komplexen Prozesse in unseren Zellen vollständig zu verstehen. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, zu entschlüsseln, wie Gene reguliert werden und welche Rolle dabei die sogenannten nicht-kodierenden DNA-Abschnitte spielen. In diesem Kontext stellt Google DeepMind nun ein neues KI-Modell namens AlphaGenome vor, das unser Verständnis der Genregulation maßgeblich erweitern könnte.

Die ungelösten Rätsel der DNA

Seit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms vor über zwei Jahrzehnten wissen wir, wie die „Buchstaben“ unserer DNA – A, G, C und T – angeordnet sind. Dies war ein fundamentaler Schritt, doch die eigentliche Herausforderung liegt im Verständnis, wie diese genetische Information in unseren Zellen genutzt wird. Die DNA ist keine einfache lineare Informationskette; sie ist hochstrukturiert und in jeder Zelle unseres Körpers unterschiedlich organisiert. Das bedeutet, dass Gene – Abschnitte der DNA, die bestimmte Funktionen steuern – nicht einfach „immer aktiv“ sind. Sie müssen je nach Zelltyp und Situation ein- oder ausgeschaltet werden.

Ein besonders großes Rätsel ist die Funktion der DNA-Abschnitte, die nicht direkt für Proteine kodieren. Diese über 98 Prozent des menschlichen Erbguts ausmachenden Bereiche wurden lange als „Junk-DNA“ abgetan. Mittlerweile ist bekannt, dass diese „dunkle Materie“ der DNA entscheidend für die Genaktivität ist und eine wichtige Rolle bei der Gesundheit und der Entstehung von Krankheiten spielt. Die genaue Art und Weise, wie diese Abschnitte die Genexpression beeinflussen, war bisher jedoch weitgehend unklar.

AlphaGenome: Ein neues Werkzeug für die biologische Forschung

Hier setzt AlphaGenome an. Das von Google DeepMind entwickelte KI-Modell zielt darauf ab, die komplexen Zusammenhänge der Genregulation sichtbar zu machen und die Funktion langer DNA-Sequenzen vorherzusagen. Während frühere Methoden oft nur begrenzte Abschnitte der DNA analysieren konnten, ermöglicht AlphaGenome einen Blick auf bis zu eine Million Basenpaare gleichzeitig.

Das Modell kann laut der in Nature veröffentlichten Studie Tausende molekulare Eigenschaften mit einer Auflösung bis zu einzelnen Basenpaaren vorhersagen. Dazu gehören:

- Wo bestimmte Gene in verschiedenen Zell- und Gewebetypen beginnen und enden. - Die Menge der produzierten RNA. - Welche DNA-Basen zugänglich sind, nahe beieinander liegen oder an bestimmte Proteine gebunden sind. - Wie sich genetische Varianten auswirken.

AlphaGenome wurde mit Daten aus öffentlich zugänglichen Plattformen wie ENCODE, GTEx, 4D Nucleome und FANTOM5 trainiert, die experimentell ermittelte Informationen zur Genregulation aus Hunderten menschlicher und Maus-Zelltypen und -Geweben enthalten. Das Modell nutzt neuronale Netzwerkstrukturen und Transformatoren, um Muster in der Genomsequenz zu erkennen und diese in präzise Vorhersagen umzuwandeln.

Potenzial für Medizin und personalisierte Therapien

Das tiefere Verständnis der Gensteuerung, das AlphaGenome ermöglicht, hat weitreichende Implikationen, insbesondere für die Medizin. Viele Krankheiten entstehen, weil die Steuerung der Gene gestört ist. Ein Beispiel sind Krebserkrankungen, bei denen Onkogene durch Mutationen aktiviert werden und unkontrolliertes Zellwachstum auslösen können. Wenn wir besser verstehen, wie solche Schaltvorgänge funktionieren, könnten in Zukunft gezieltere Eingriffe zur Prävention oder Behandlung solcher Prozesse entwickelt werden.

Die Vision ist, dass genetische Krankheiten, die auf Fehlern im Genmanagement basieren, gezielt behandelt werden können. AlphaGenome könnte dabei helfen, herauszufinden, wie Mutationen Gene beeinflussen und wie diese Fehler behoben werden könnten. Dies wäre ein bedeutender Schritt in Richtung personalisierte Medizin, bei der Therapien individuell auf die genetischen Besonderheiten eines Patienten zugeschnitten werden.

AlphaGenome ist derzeit ein Forschungswerkzeug und nicht für den direkten klinischen Einsatz vorgesehen. Es kann jedoch dazu beitragen, die Ursachen seltener genetischer Krankheiten zu identifizieren, die Entwicklung neuer Medikamente zu beschleunigen und die Forschung im Bereich der synthetischen Biologie zu unterstützen.

Herausforderungen und Zukunftsaussichten

Obwohl AlphaGenome einen wichtigen Fortschritt darstellt, sind sich die Forschenden der bestehenden Limitationen bewusst. Unabhängige Experten weisen auf die hohe Komplexität und den erheblichen Rechenaufwand des Modells hin. Zudem ist es in einigen Aspekten nicht besser als bereits vorhandene spezialisierte Tools, und der Weg zum Verständnis des gesamten Genoms mit über drei Milliarden Basenpaaren bleibt weiterhin lang. Das Modell wurde bisher nur an menschlichen und Mausgenomen trainiert und ist daher noch nicht auf andere Spezies anwendbar.

Dennoch wird AlphaGenome als ein „unglaublicher technischer Erfolg“ und ein „großer Sprung“ in der Genomforschung bezeichnet. Google DeepMind plant, das Modell und seine Schnittstellen für die nicht-kommerzielle Forschung zugänglich zu machen, um die wissenschaftliche Gemeinschaft bei ihren Entdeckungen zu unterstützen. Die Erkenntnisse, die AlphaGenome liefert, sind ein wichtiger Schritt, doch die Entwicklung neuer Therapien auf dieser Basis wird noch einige Jahre in Anspruch nehmen.

Die Entwicklung von AlphaGenome verdeutlicht die zunehmende Rolle datengetriebener KI-Modelle in der Biologie und unterstreicht, wie komplex die Regeln der Genregulation noch sind. Es ist ein Beispiel dafür, wie KI-Technologien, die bereits in anderen Bereichen wie der Proteinstrukturvorhersage (AlphaFold) Durchbrüche erzielt haben, nun auch in die Grundlagenforschung der Biologie vordringen und neue Perspektiven für das Verständnis des Lebens selbst eröffnen.

Bibliographie

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• AI Revolution. "Google's New AI AlphaGenome Just Unlocked the Code of Human..." YouTube, 29. Januar 2026.
• Grolle, Johann. "AlphaGenome: Googles Deepmind will die Sprache des Lebens entschlüsseln." DER SPIEGEL, 28. Januar 2026.