Kommentar der ZKBS zu den Herausforderungen von mittels künstlicher Intelligenz (KI) de novo generierten Nukleinsäureabschnitten und Proteinen bei der Bewertung gentechnischer Arbeiten.
Die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS), vertreten durch den Arbeitskreis Synthetische Biologie, beschäftigt sich mit den raschen Fortschritten beim Einsatz künstlicher Intelligenz zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen (GVO). Dabei erfolgt die de novo Generierung von Nukleinsäureabschnitten und Proteinen mittels bioinformatischer Methoden des maschinellen Lernens und generativer künstlicher Intelligenz in silico, sowie deren Synthese und Weiterentwicklung durch selbst-verstärkende Lernzyklen (self reinforcing learning loops) in automatisierten Laboren. Die ZKBS begrüßt diese Forschung ausdrücklich, da sie u. a. zu innovativen Entwicklungspfaden hin zu neuartigen Produkten und zu einem besseren Verständnis evolutionärer Mechanismen beitragen kann. Daneben können die entwickelten Methoden auch einen unterstützenden Beitrag zur Risikobewertung gentechnischer Arbeiten leisten.
Als repräsentativ für die Entwicklungen in diesem Forschungsfeld betrachtet die ZKBS die im Jahr 2025 in der Fachzeitschrift Nature erschienene Publikation mit dem Titel “Semantic design of functional de novo genes from a genomic language model” [1].
Die Publikation beschäftigt sich mit der Generierung neuartiger prokaryotischer Gene mithilfe eines großen Sprachmodells (large language model, LLM), welches auf der Datengrundlage von ≈ 80.000 Prokaryoten- und zwei Millionen Phagengenomen trainiert wurde. Durch rationales Design ermöglicht dieses LLM die Generierung von Proteinen basierend auf der semantischen Syntax und evolutionären Konservierung prokaryotischer Gen-Cluster und Operons. Aufbauend auf dem Wissen über konservierte Proteinfunktionen innerhalb von Gen-Clustern und Operons können durch gezielte Interaktion mit dem LLM Gene mit gewünschten Eigenschaften und Funktionen in silico generiert werden. Die Autoren zeigen an exemplarischen Beispielen, dass sich aus diesen in silico generierten Genen, unter Zuhilfenahme bioinformatischer Filterschritte, funktionale neuartige Proteine chemisch oder mittels gentechnischer Verfahren herstellen lassen.
Im Ergebnis sind die de novo generierten Nukleinsäureabschnitte oder Proteine den Produkten einer klassischen Mutagenese oder denen aus einem Ansatz der gerichteten Evolution vergleichbar, können aber auch so neuartig (new to nature) sein, dass sie keinem Spenderorganismus zugewiesen werden können.
Bei der Bewertung des Gefährdungspotentials von gentechnischen Arbeiten zur Herstellung von GVO ist gemäß den Vorgaben der Gentechniksicherheitsverordnung (GenTSV) das Gefährdungspotential des Spenderorganismus zu berücksichtigen. Aus Sicht der ZKBS ist die Risikobewertung von GVO, die unter Einsatz von new to nature-Nukleinsäureabschnitten hergestellt wurden, nach dem geltenden Gentechnikrecht auch dann möglich, wenn diese Nukleinsäureabschnitte keinem Spenderorganismus zugeordnet werden können (vgl.§ 4 S. 1 Nr. 1 lit. d GenTSV). Die Risikobewertung erfolgt basierend auf § 5 GenTSV in Verbindung mit Anlage 1, wobei insbesondere die bekannten und vorhersagbaren Informationen über den überführten Nukleinsäureabschnitt berücksichtigt werden (vgl. § 5 Abs. 1 Nr. 2 GenTSV in Verbindung mit Anlage 1 Nr. 2.1 lit. b). Demnach kann der GVO auch einer höheren Risikogruppe zugeordnet werden, wenn nicht auszuschließen ist, dass ein übertragener Nukleinsäureabschnitt das Gefährdungspotential des GVO erhöht.