Crowdsourcing im Kampf gegen Aflatoxin

Nobelpreisträger Michael Levitt  und andere #LINO18 Teilnehmer spielen Foldit während des Mars Partner Frühstücks. Credit: Mars, Incorporated

Junge Wissenschaftler spielten während der 68. Lindauer Nobelpreisträgertagung ein Online-Proteinfaltungsspiel und lieferten damit neue Proteinstrukturen, die zukünftig ein Pilzgift bekämpfen könnten, das Grundnahrungsmittel wie Mais, Erdnüssen und Maniok kontaminiert. Das Gift mit dem Namen Aflatoxin verdirbt Feldfrüchte auf dem Acker und kann bei unsachgemäßer Lagerung, insbesondere in heißer, feuchter Umgebung, auch zu Kontaminierung der Ernte führen.

Über 4,5 Milliarden Menschen sind weltweit Aflatoxinen in Lebensmitteln in unterschiedlichem Ausmaß ausgesetzt. Laut eines gemeinsamen Ausschusses der World Health Organization und der Food and Agriculture Organization zählen diese Toxine  zu den verheerendsten Substanzen, die Leberkrebs verursachen können. Aflatoxine lassen sich bisher nicht aus Lebensmitteln entfernen. Deshalb wird ihr Gehalt in Lebensmitteln und Tierfuttermitteln durch Vorschriften begrenzt. 

Mars, Incorporated, einer der weltweit größten Lebensmittelproduzenten und langjähriger Partner der Lindauer Tagungen, muss in Indien über 70% der Erdnusslieferungen wegen erhöhten Aflatoxingehalts zurückweisen, sagt Howard Yana-Shapiro, Chief Agricultural Officer bei Mars. Allerdings werden diese beanstandeten Produkte trotzdem als Lebens- und Futtermittel verwendet. Durch die Ablehnung von kontaminierten Lebensmitteln trägt das Unternehmen also nicht zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit für andere Gemeinschaften bei, sagt er.

Yana-Shapiro hat es sich persönlich zur Aufgabe gemacht, große Herausforderungen der Lebensmittel- und Nahrungsunsicherheit anzugehen. Seit er das Problem Aflatoxin kennt, hat er eine Partnerschaft mit Hochschulforschern, einem führenden Anbieter von biowissenschaftlicher Ausrüstung und einer Organisation, die an der Aflatoxinbekämpfung in Afrika arbeitet, initiiert. Dieses Team ist jetzt damit beschäftigt, ein Enzym zu entwickeln, das industriell genutzt werden kann, um Aflatoxin auf Feldfrüchten abzubauen.

Crowdsourcing für die Entgiftung

Forscher wissen bereits, dass bestimmte Enzyme Aflatoxin natürlich abbauen, indem diese Proteine eine Bindung im Toxin aufbrechen und es damit unschädlich machen. Diese Enzyme funktionieren jedoch alle nur mit Zusatzstoffen, deren Einsatz in großem Rahmen teuer wäre. Um die enzymatische Wirkung zu vereinfachen, wollen Forscher jetzt ein Enzym finden, das im Zusammenspiel mit Wasser denselben entgiftenden Bindungsaufbruch bewirkt.

Die Herausforderung besteht nun darin, das Enzym so umzubauen, dass es speziell Aflatoxin entgegenwirkt. Die Anzahl möglicher Strukturen für ein umgestaltetes Enzym ist allerdings im wahrsten Sinne des Wortes astronomisch hoch. „Diese Zahl übersteigt die Anzahl der Sterne am Himmel”, sagt Justin Siegel, ein synthetischer Biologe an der University of California, Davis.

Um die Suche nach einem aflatoxin-spezifischen Enzym zu beschleunigen, wurden Siegel und seine Kollegen zu Akteuren eines Online-Videospiels für Proteinfaltung. Das Spiel mit der Bezeichnung Foldit ist eines von mehreren web-basierten Plattformen, die sich der menschlichen Fähigkeiten der visuellen Mustererkennung bedienen, um die wissenschaftliche Forschung voranzubringen. In den zehn Jahren seit Herausgabe des Spiels haben Foldit-Mitspieler, bei denen es sich übrigens nicht unbedingt um Wissenschaftler handeln muss, die Aktivität eines Enzyms verbessert, das von Grund auf neu entwickelt wurde, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Innerhalb von gerade einmal zehn Tagen ist ihnen auch die Aufklärung der Struktur eines viralen Proteins gelungen, das Forscher vorher schon 15 Jahre lang beschäftigt hatte.

Siegel und seine Studenten legen den Foldit-Spielern Puzzles vor, die einen Teil des ausgewählten Enzyms enthalten. Die Spieler passen die Hauptkette des Proteins oder die Seitenketten seiner Aminosäure-Bausteinen an verschiedene Formen an. Die Foldit-Software errechnet dann die Energie des veränderten Proteins und weist dem Spieler eine Punktzahl zu. Proteine mit geringer Energie und Merkmalen, die ihre physische Stabilität gewährleisten, erhalten höhere Punktwerte als Proteine mit hoher Energie und physisch unerwünschten Eigenschaften.

Nachdem Spieler mit etlichen Puzzles herausgefordert werden, erfassen Siegel und sein Team hundert der am höchsten eingestuften Proteinstrukturen. Wissenschaftler von Thermo Fisher Scientific synthetisieren dann die DNA, die jedes Protein entschlüsselt. Siegel und seine Kollegen bringen jedes dieser DNA-Stücke in Bakterien ein, isolieren anschließend das von den Bakterien auf Grundlage der DNA-Baupläne hergestellte Protein und testen es auf seine Fähigkeit, Aflatoxin abzubauen. Schließlich nutzen sie die bei der Proteinherstellung gewonnenen Informationen, um die nächsten Puzzles für die Foldit-Spieler entsprechend zu verfeinern.

Derzeit wertet das Team die Proteine aus, die während der zweiten Puzzle-Runde entstanden sind. Seit dem Start der Aflatoxin-Puzzles im vergangenen Oktober haben Foldit-Spieler Anstrengungen beigesteuert, die der Arbeit von 100 Vollzeitarbeitskräften für ein ganzes Jahr entsprechen, so Siegel. Im Gegensatz zu einem bezahlten Job profitieren Foldit-Spieler nicht finanziell von ihrem Einsatz. Doch sobald dieses Enzym soweit optimiert ist, dass es Aflatoxin abbauen kann, soll seine Struktur der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden und dann frei zur Vermarktung zur Verfügung stehen.

Die Zukunft von Crowdsourcing

Foldit’s Mehrwert besteht darin, die einzigartige Problemlösungsfähigkeit von Menschen und Computern zu kombinieren.  Foldit-Spieler können einen kurzen Blick auf eine Proteinstruktur werfen und riesige Veränderungen seines Backbones oder seiner Aminosäure-Seitenketten erkennen, die es zu einem stabileren Protein machen könnten. Die Foldit-Software wird von Programmen unterstützt, die von Nobelpreisträger Michael Levitt entwickelt wurden. Die Software zeichnet sich vor allem durch ihre Fähigkeit aus, Proteinstabilität zu ermitteln, die auf sehr kleinen strukturellen Veränderungen basiert.

Indem die Forscher hunderten oder tausenden unterschiedlichen Spielern Puzzles vorlegen können, sammeln sie Lösungen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Perspektiven.  Mit der Lösung von Foldit-Puzzles entwickeln die Spieler eine hohe technische Fähigkeit, die strukturellen Veränderungen eines Proteins mit Veränderungen seiner Funktion in Verbindung zu bringen. Die Spieler, so Levitt, werden für ihre harte Arbeit also mit Bildung belohnt.

Für Levitt ermöglicht die Zukunft des Proteinstruktur-Crowdsourcings den Spielern, ihre Fähigkeiten wie ein Wissenschaftler für die unabhängige Untersuchung eines Problems zu nutzen und damit Dinge zu tun, die sich früher niemand hätte vorstellen können. Vor diesem Hintergrund könnte die Wissenschaft tatsächlich von der Weisheit der Masse profitieren. „Ich glaube, dass Wissenschaft dem Zufallsprinzip folgt”, sagt er. „Man erhöht seine Chancen [etwas herauszufinden], indem man möglichst viele Menschen unkonventionell denken lässt.”