In der Natur existiert eine Vielfalt an Enzymen, die mit unterschiedlichsten Fähigkeiten ausgestattet sind: So können Enzyme in Wasch- und Putzmitteln für mehr Sauberkeit sorgen oder als Katalysator biobasierte Produktionsprozesse steuern. Für die Bioökonomie sind diese komplexen Eiweißmoleküle damit vielversprechende Spezialwerkzeuge, deren Vielfalt längst noch nicht erschlossen ist. Hier setzt das Projekt AI MareExplore an. Darin wollen Forschende von vier Helmholtz-Zentren neue Enzyme im Ozean aufspüren.

Kunststoffabbauende und CO₂-bindende Enzyme finden

Dabei konzentriert sich die Suche der Forschenden auf marine Biokatalysatoren, die nachhaltige Lösungen für die drängenden menschengemachten Umweltprobleme liefern können. Konkret geht es um Enzyme, die Kunststoffe abbauen oder Kohlendioxid aus der Atmosphäre binden können. Das Vorhaben wird durch den sogenannten Innovationspool der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert und vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel koordiniert. „Wir wissen, dass da draußen noch viel mehr ist – eine Art funktionelle‚ dunkle Materie, die sich unserer Analyse entzieht“, erklärt Erik Borchert, Meeresmikrobiologe am GEOMAR und Koordinator von AI MareExplore.

KI-Modelle trainieren und Enzyme aufspüren

Im Labor lassen sich bisher viele Organismen nicht kultivieren und damit auch ihre Enzyme nicht untersuchen. Bei der Suche nach neuen marinen Biokatalysatoren setzen die Forschenden daher auf Künstliche Intelligenz (KI). Um die KI-Modelle zu trainieren, kann das Team auf bestehende, frei zugängliche marine Genomdatenbanken zurückgreifen. „KI hilft uns, diese verborgenen Schätze zu heben, weil sie gut im Mustererkennen ist. Gut trainiert, könnte sie Verbindungen zwischen DNA-Sequenzen und enzymatischen Eigenschaften herstellen, die für uns unsichtbar sind“, so Borchert.

Globale Umweltprobleme lösen

Ziel des Projektes ist es, ein leistungsfähiges KI-Modell zu entwickeln, dass gezielt nach Enzymen sucht, die Plastik abbauen sowie Kohlendioxid in Zucker umwandeln. Ob die gefundenen Kandidaten tatsächlich die gewünschten Fähigkeiten haben, soll später im Labor untersucht werden. „Am Ende wollen wir nicht nur eine neue Analyse-Methode entwickeln, sondern auch konkrete Biokatalysatoren identifizieren, die zur Bewältigung globaler Umweltprobleme beitragen“, sagt Borchert.

Am Projekt AI MareExplore sind neben dem GEOMAR das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), das Forschungszentrum Jülich (FZJ) und das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung (GFZ) beteiligt.

bb