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Wir müssen die Kluft zwischen KI-Ingenieuren und Biologen überbrücken, mit dem gleichen Ziel, einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft zu haben, schreibt Stef van Grieken.
Generative KI wird in vielen Branchen eingesetzt, um Prozesse zu verbessern – von der Automatisierung von Büroarbeiten bis hin zur Erstellung besserer Marketingmaterialien –, aber es sind Wissenschaft und Technik, wo sie noch größere Auswirkungen haben könnte.
In Kombination mit der Biologie kann generative KI auch dazu eingesetzt werden, die industriellen Prozesse der Materialproduktion zu reduzieren oder sogar ganz auszuschalten und die Umweltkosten des menschlichen Konsums drastisch zu senken.
Die synthetische Biologie, ein Markt mit einem Wert von 10,4 Milliarden Euro im Jahr 2022, hat das Potenzial, Produkte zu schaffen, die unsere Vorstellungskraft übertreffen – tatsächlich hat das McKinsey Global Institute vorhergesagt, dass 60 % von allem, was Menschen konsumieren, mithilfe von Biologie hergestellt werden könnten.
Wir sehen bereits, dass eine Reihe von Unternehmen eine Reihe von Produkten in kritischen Branchen – Materialien, Chemie, Lebensmittel, Landwirtschaft und Pharmazeutika – mithilfe der synthetischen Biologie herstellen.
Lösung von Lebensmitteln und Chemikalien
Für diejenigen, die von pflanzlichen Lebensmittelalternativen noch nicht überzeugt sind, könnten im Labor angebaute Lebensmittelprodukte die Zukunft sein.
Nehmen Sie ein Unternehmen wie Perfect Day, das biobasierte Milch durch Präzisionsfermentation herstellt. Dabei werden molekular identische Milchproteine wie Kasein oder Molke hergestellt, indem Milchprotein-DNA-Sequenzen in Mikroorganismen wie Hefe oder Pilze kodiert werden, die dann mit Nährstoffen und Zucker fermentiert werden Tanks (ähnlich wie bei der Bierherstellung) und produzieren Proteine, die mit denen herkömmlicher Milchprodukte identisch sind.
Das Milchprotein von Perfect Days verursacht bis zu 97 % weniger Kohlenstoffemissionen und 99 % weniger blaues Wasser als die herkömmliche Milchproduktion.
Wenn nur 5 % der in Europa konsumierten Milch tierversuchsfrei wären, würden dem Unternehmen zufolge Benzin umgerechnet 660.000 Weltreisen eingespart werden – die Regierungen sollten größere Schritte unternehmen, um beides in die Produktion von biobasierter Milch zu investieren Milch und ermutigen Sie die Verbraucher, umzusteigen.
Biobasierte Chemikalien sind ein Beispiel, das in letzter Zeit für Schlagzeilen gesorgt hat. Die US-Regierung hat sich zum Ziel gesetzt, in den nächsten 20 Jahren mindestens 30 % ihrer Chemikalien durch biobasierte Herstellungsverfahren herzustellen.
Da die weltweiten Emissionen der chemischen Industrie im Jahr 2021 etwa 2 % der gesamten CO2-Emissionen ausmachen, haben biobasierte Chemikalien das Potenzial, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen drastisch zu reduzieren.
Ein Unternehmen, das in diesem Bereich großen Anklang gefunden hat, ist Solugen, das Maissirup mit gentechnisch veränderten Enzymen mischt, um Ersatz für gängige Chemikalien zu schaffen, die normalerweise aus Phosphaten und Öl hergestellt werden.
Allerdings haben viele Unternehmen in diesem Bereich Schwierigkeiten, kommerzielle Akzeptanz zu finden.
Wir werden erhebliche Investitionen sowohl im öffentlichen als auch im privaten Bereich benötigen, um die Produktion biobasierter Chemikalien zu beschleunigen.
Materialien lösen
Hinzu kommt die Nutzung der synthetischen Biologie zur Herstellung und zum Recycling von Materialien. Nehmen wir Beton – er ist für den Bau unserer Häuser und Büros unerlässlich, hat aber einen enormen CO2-Fußabdruck, da die Zementherstellung 8 % der gesamten CO2-Emissionen der Welt ausmacht.
Biologen haben jetzt neue Formen von kohlenstoffarmem Beton entwickelt, darunter einen, der CO2 mithilfe eines im Blut vorkommenden Enzyms absorbiert. Wenn sich im Beton kleine Risse bilden, interagiert das Enzym mit CO2, ahmt die Eigenschaften von Beton nach und füllt den Riss.
Ebenso hat die synthetische Biologie das Potenzial, den Lebenszyklus von Materialien wie Kunststoffen und Polymeren zu verändern, die üblicherweise in Wasserflaschen und Kleidung verwendet werden.
Erstens haben Wissenschaftler Enzyme entwickelt, die PET-Kunststoffe abbauen können, die häufig in Getränkeflaschen vorkommen, und so dazu beitragen, die Umweltbelastung durch unseren Abfall zu verringern.
Ebenso können wir mithilfe von Enzymen neue Formen von Kunststoff herstellen, wodurch wir weniger auf Petrochemikalien angewiesen sind.
Bei vielen der bestehenden kohlenstoffarmen Betonlösungen handelt es sich jedoch um teure Technologien, die noch weit von der Kommerzialisierung entfernt sind, oder um kostengünstigere Alternativen, die begrenzte Emissionsreduzierungen ermöglichen.
Ein Großteil der innovativen Technologie, die derzeit in diesem Bereich existiert, liegt nur knapp über dem Machbarkeitsnachweis. Die Entwicklung und Skalierung der Technologie für eine breite Anwendung erfordert erhebliche Investitionen.
Forschung und Entwicklung beschleunigen
Im Kern versucht die synthetische Biologie, die in der DNA eines Proteins kodierte Sequenz zu ändern, damit es etwas anderes tut.
Der traditionelle Charakter der Forschung basiert auf Versuch und Irrtum, was bedeutet, dass die Entwicklung wirksamer Produkte in der Vergangenheit äußerst kostspielig und zeitaufwändig war. Es ist nicht ungewöhnlich, dass 95 % der im Labor getesteten entwickelten Proteine ihre Designspezifikationen nicht erfüllen.
Hier kommt die generative KI ins Spiel: Große Sprachmodelle können auf DNA-Sequenzen und experimentellen Ergebnissen bekannter Proteine trainiert werden, was bedeutet, dass wir die am besten geeigneten DNA-Sequenzen für ein Protein vorhersagen können, das die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, die Wahrscheinlichkeit, Designziele bei der Entwicklung eines Proteins zu erreichen, deutlich zu erhöhen.
Durch die Nutzung der neuesten biologischen Forschung und Analyse von Proteinsequenzen kann die generative KI Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, ein Protein „zurückzuentwickeln“, um die gewünschte Leistung mit weniger, aber erfolgreicheren Experimenten zu erzielen, als dies mit früheren Methoden möglich war.
In diesem Bereich tätige Unternehmen der synthetischen Biologie experimentieren bereits mit generativen KI-Modellen, um ihre Plattformen zu verbessern. LanzaTech experimentiert beispielsweise mit generativer KI, um DNA-Sequenzen für Enzyme zu entwerfen, die Mikroben für Kleidung, Kunststoffe, Kerosin und sogar Parfüm produzieren; und Zero Coffee nutzt eine KI-gestützte Geschmacksoptimierungsplattform für die Entwicklung von „bohnenlosem Kaffee“.
Es besteht auch das Potenzial für Software, generative KI-Modelle bereitzustellen, die Unternehmen der synthetischen Biologie in ihre eigenen Prozesse implementieren können.
Die Plattform von Cradle, die auf in einem Nasslabor generierten Daten sowie auf öffentlich zugänglichen Daten und Kundendaten basiert, ermöglicht es Benutzern, die gewünschten Proteinfunktionen und -eigenschaften zu entwickeln, wodurch es möglich wird, proteinbasierte Produkte viel schneller und kostengünstiger zu erstellen und zu skalieren -effektiv.
Die Zukunft ist die Biologie
Obwohl der Einsatz generativer KI in der Biotechnologie bereits ein riesiger Markt ist – mit einem Wert von fast 50 Millionen Euro im Jahr 2022 – ist er im Vergleich zum Markt der synthetischen Biologie insgesamt immer noch nichts. Wir müssen die Kluft zwischen KI-Ingenieuren und Biologen überbrücken, mit dem gleichen Ziel, einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft zu haben.
Während generative KI in der Biologie vielversprechend für die Entwicklung nachhaltiger Lösungen ist, erfordert die Bewältigung der Klimakrise einen vielschichtigen Ansatz, der politische Änderungen, technologische Innovationen und Investitionen umfasst.
Damit generative KI einen sinnvollen Einfluss auf die Klimakrise haben kann, muss es eine übergreifende Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Regierungen, Investoren, Big Tech und aufstrebenden Start-ups geben.
Stef van Grieken ist Mitbegründer und CEO von Cradle.
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