Ein kürzlich in *Nature* veröffentlichter Bericht der University of Washington School of Medicine beschreibt die Entwicklung synthetischer Calciumionenkanäle mithilfe künstlicher Intelligenz. Diese am Protein Design Institute der University of Washington School of Medicine durchgeführte Forschung demonstriert die Machbarkeit der computergestützten Konstruktion von Transmembranproteinen mit spezifischen Funktionen.

„Biochemiker erforschen Ionenkanäle seit Jahrzehnten, und die Debatte über ihre Funktionsweise dauert fast genauso lange an“, sagte David Baker, Professor für Biochemie. „Wir haben uns zum Ziel gesetzt, eine neue Variante zu entwickeln, mit der Biologen die zelluläre Signalübertragung präzise steuern können.“ Das Forschungsteam nutzte das KI-Programm RFdiffusion, um schrittweise ein vollständiges Kanalprotein zu konstruieren, das Kalziumionen spezifisch weiterleiten kann. Ausgangspunkt war die Struktur eines selektiven Filters.

Ähnlich den natürlich in den Membranen von Nerven- und Muskelzellen vorkommenden Kalziumkanälen können diese synthetischen Kanäle den Kalziumionenfluss regulieren und dadurch die elektrische Signalübertragung beeinflussen. Yu-lai Liu, Postdoktorandin und Leiterin der Studie, erklärte: „Durch die Konstruktion präzise steuerbarer Kanäle hoffen wir, das Zellverhalten auf völlig neue Weise zu untersuchen und letztendlich zu manipulieren.“ Dem Team gelang es, mithilfe geeigneter Designwerkzeuge Aminosäuresequenzen zu generieren, die innerhalb der Lipiddoppelschicht stabil bleiben.

Forscher exprimierten gezielt hergestellte Calciumkanäle in Insektenzellen und überprüften deren Funktion mittels Patch-Clamp-Technik. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass verschiedene Kanäle Calciumionen effektiv leiten konnten, mit einer bis zu fünffach höheren Selektivität für Calciumionen im Vergleich zu Natriumionen. Kryo-Elektronenmikroskopische dreidimensionale Strukturanalysen bestätigten eine hohe Übereinstimmung der atomaren Struktur der synthetisierten Kanäle mit dem Computermodell.

Diese Forschungsmethode bietet einen neuen Ansatz zur Erforschung der Selektionsmechanismen von Ionenkanälen. Das Forschungsteam plant, diese Strategie weiterhin anzuwenden, um die physikalischen Prinzipien des Durchtritts von Metallionen durch Membranproteine systematisch zu untersuchen. Diese Prinzipien sind von großer Bedeutung für das Verständnis von Prozessen wie der neuronalen Signalübertragung und der Aktivierung von Immunzellen.

Weitere Informationen: Yulai Liu et al., „Bottom-up Ca2+ channel design based on specific selective filter geometry“, *Nature* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature*