Neue Kraft für die Wissenschaft
Die Welt steht vor immer komplexeren Herausforderungen. Sie reichen von Pandemien über den Klimawandel bis hin zu wirtschaftlicher Stagnation. Zugleich hat das Tempo nachgelassen, in dem die Wissenschaft neue Entdeckungen macht. Die Lösung für den Innovationsstau – und der Schlüssel zu einer Renaissance der Wissenschaft – liegt im Zusammenspiel von Spitzenforschung und KI. Schon heute helfen KI-Systeme bei der Analyse wissenschaftlicher Daten, und das in nahezu allen Forschungsbereichen. In der Strukturbiologie und Quantenchemie kommt KI ebenso zum Einsatz wie in der Meteorologie und Materialwissenschaft. Doch das ist erst der Anfang. KI ist ein starkes Werkzeug, dank dem Forschende die Komplexität der Welt auf neue Weise untersuchen und schneller zu Antworten gelangen können. Wir bei Google DeepMind sehen KI als einen Verstärker der menschlichen Erfindungsgabe. Sie lässt uns Wissenschaft und Innovation in vielen Bereichen beschleunigen – sei es, um die Biologie besser zu verstehen und neue Medikamente zu entwickeln, nachhaltige Materialien und Lösungen für die Klimakrise zu finden oder durch Fusionsforschung das Ziel zu erreichen, unbegrenzt saubere Energie zu gewinnen.
„Die AlphaFold-Datenbank hat dazu beigetragen, die wissenschaftliche Forschung zu demokratisieren“
AlphaFold ist ein Kernprojekt von Google DeepMind und zugleich ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie KI geholfen hat, eine Herausforderung zu bewältigen, die Forschende zuvor über Jahrzehnte auf Trab hielt: die Entschlüsselung dreidimensionaler Proteinstrukturen. Proteine sind das Herzstück jeder Zelle und bestehen aus komplex gefalteten Ketten von Aminosäuren. Jedes Protein ist anders aufgebaut, und die Struktur bestimmt seine Eigenschaften und Funktionen im Organismus. Ein einzelnes Protein zu beschreiben und seine Funktionen zu verstehen, hat bislang – zum Beispiel im Rahmen einer Doktorarbeit – mehrere Jahre gedauert. Diesen Prozess konnten wir mit AlphaFold beschleunigen und 200 Millionen Proteinstrukturen falten. Das bedeutet, dass wir die dreidimensionale Struktur von fast allen der Wissenschaft bekannten Proteinen berechnen konnten. Und das neueste KI-Modell, AlphaFold 3, kann nun auch die Strukturen anderer Biomoleküle wie DNA und RNA vorhersagen.
Bislang benötigten Forschende oft viele Jahre, um ein einzelnes Protein zu verstehen und zu beschreiben. Dank AlphaFold dauert dies nur noch Minuten
Bei der Entwicklung von AlphaFold konnten wir auf der Vorarbeit unzähliger Wissenschaftler*innen aufbauen, die jede bis dahin entschlüsselte 3D-Proteinstruktur in einer Datenbank gespeichert hatten. Mit mehr als 100 000 Einträgen diente sie AlphaFold als Trainingsgrundlage. Wegen ihres großen Potenzials haben wir unsere AlphaFold 2-Technologie Forschungsgruppen als Open-Source-Anwendung zur Verfügung gestellt. Die AlphaFold-Datenbank bietet freien Zugang zu mehr als 200 Millionen Vorhersagen von Proteinstrukturen, darunter mehr als 20 000 aus dem menschlichen Körper. Diese kostenlose Datenbank hat dazu beigetragen, die wissenschaftliche Forschung zu demokratisieren: Sie wird mittlerweile von mehr als zwei Millionen Forschenden aus 190 Ländern genutzt. Darunter sind weltberühmte Wissenschaftseinrichtungen ebenso wie Teams aus Schwellenländern, in denen es sonst nicht die nötige Forschungsinfrastruktur gäbe, um Proteinstrukturen zu entschlüsseln. Mit vielen dieser Wissenschaftler*innen stehen wir im Austausch und nutzen ihr wertvolles Feedback, um unsere KI-Modelle weiter zu verbessern. Forschende, die AlphaFold nutzen, befassen sich mit einer Vielzahl medizinischer Herausforderungen, von der Entwicklung eines Malaria-Impfstoffs (siehe unten) bis hin zu einem besseren Verständnis von Krankheiten wie Krebs und Covid-19. Außerhalb der Medizin hilft die KI, um beispielsweise plastikfressende Enzyme zu entwickeln (siehe unten) oder Erreger zu bekämpfen, die Nutzpflanzen bedrohen. Viele Wissenschaftler*innen berichten, dass sie dank der Vorhersagen von AlphaFold ihre Arbeit um Jahre beschleunigen konnten – und damit auch die Entwicklung konkreter Lösungen für einige der größten Herausforderungen unserer Zeit.
„Wir arbeiten daran, einige der schwierigsten Aufgaben unserer Zeit zu lösen“
Mit KI und maschinellem Lernen haben wir neue Werkzeuge, um biologische Abläufe besser zu verstehen und das hochkomplexe System des Lebens zu entschlüsseln. Doch wir beschränken uns nicht nur auf AlphaFold und Proteinstrukturen. Ein anderes von uns entwickeltes KI-Tool könnte die Materialforschung revolutionieren, indem es hilft, neue Materialien schneller und effizienter zu entdecken. Es sagt die Stabilität von Materialien voraus und hat bereits 2,2 Millionen potenzielle neue Materialien identifiziert. Unter den 380 000 besonders vielversprechenden Vorhersagen befinden sich Materialien, die Technologien nachhaltiger machen könnten – von leistungsfähigen und langlebigen Batterien für E-Autos bis hin zu Supraleitern für effizientere Computer.
Die AlphaFold-Datenbank bietet Zugang zu mehr als 200 Millionen Vorhersagen von Proteinstrukturen
Wir arbeiten daran, einige der schwierigsten wissenschaftlichen und technologischen Aufgaben unserer Zeit zu lösen. Deshalb entwickeln wir Technologien, die die Wissenschaft voranbringen, unsere Arbeitsweise verändern, der Gesellschaft dienen und das Leben vieler Menschen verbessern könnten. Angesichts der enormen Herausforderungen, vor denen die Menschheit steht, ist KI ein wichtiges Werkzeug, um den wissenschaftlichen Fortschritt zu beschleunigen. Die verantwortungsvolle Entwicklung von KI ist aus unserer Sicht eine Aufgabe, die wir nur gemeinsam mit anderen Beteiligten aus Politik, Wirtschaft und Gesellschaft angehen können. Deshalb arbeiten wir bei Google eng mit Wissenschaftler*innen und Forschungseinrichtungen in ganz Europa zusammen, um KI im Sinne aller weiterzuentwickeln und Wissen und Erfahrungen zu teilen. Geleitet von der Wissenschaft und einem ganzheitlichen Verständnis von Verantwortung und Sicherheit, setzen wir uns dafür ein, dass KI für alle nützlich und leicht zugänglich ist – damit alle von deren Möglichkeiten profitieren können.
AlphaFold im Einsatz
Malaria bekämpfen: Jährlich sterben mehr als 600 000 Menschen an Malaria, weshalb Wissenschaftler*innen weltweit an Impfstoffen forschen. Eine Herausforderung ist die Wandlungsfähigkeit der Malariaerreger. Sie entziehen sich dem Immunsystem, indem sie ihre eigene Struktur und die ihrer Wirtszellen ständig verändern. Forschende der Universität Oxford nutzen AlphaFold, um herauszufinden, welche Teile eines Proteins für eine neue Generation von Impfstoffen infrage kommen, die die Malariaparasiten während ihres gesamten Lebenszyklus angreifen. Früher mussten Forschende Tausende Moleküle einzeln untersuchen, um besonders vielversprechende zu identifizieren. AlphaFold kann dazu beitragen, die Suche zu beschleunigen. So könnten neue Behandlungsmöglichkeiten entstehen, die dabei helfen, den Ausbruch und die Verbreitung von Malaria zu verhindern.
Plastikfressende Enzyme: Kunststoffrecycling ist schwierig, weil die Industrie überwiegend Mischkunststoffe einsetzt, die sehr aufwendig zu trennen sind. Die Folge: Ein Großteil der jährlich anfallenden 400 Millionen Tonnen Plastikmüll wird verbrannt oder landet in den Weltmeeren. Eine Lösung könnten Enzyme sein, die das Plastik zersetzen, ehe es die Umwelt verschmutzen kann. Forschende der Universität Portsmouth haben mithilfe von AlphaFold binnen weniger Tage 100 Enzymstrukturen identifiziert. Das zeigt: Mit der KI kann das Team Enzyme für das Plastikrecycling schneller, zuverlässiger und günstiger entwickeln. Im Labor funktioniert das bereits: Binnen zehn Stunden zersetzten Enzyme eine Tonne Plastik fast komplett. Im industriellen Maßstab könnte der Ansatz das Plastikrecycling revolutionieren – und in der Konsequenz auch die Verschmutzung der Meere reduzieren.
