Mit KI designte Proteine machen neue RNA-Transporter möglich

Forschende von Helmholtz Munich und der Technischen Universität München (TUM) haben mit den sogenannten Synthetic Transfer Vehicles (STVs) eine neuartige Klasse makromolekularer RNA-Transportsysteme entwickelt. Die chimären Konstrukte kombinieren funktionelle native Proteindomänen mit de novo designten Proteinstrukturen, die mittels generativer künstlicher Intelligenz modelliert wurden. Aus einem systematischen Screening ging die Variante STV-C8 als effizientester Kandidat hervor. Das System übertrifft in Zellkulturmodellen die Transfektionseffizienz etablierter Lipidnanopartikel (LNPs) deutlich, zeigt eine hohe Beladungsmodularität bezüglich verschiedener RNA-Spezies sowie eine gezielte Tropismus-Anpassung und erwies sich auch in vivo als funktional.

Restriktionen konventioneller Delivery-Systeme

RNA-basierte Therapeutika – darunter mRNA-Konstrukte und Genbearbeitungswerkzeuge – erfordern für ihre Wirkung den intakten zellulären Import in das Zytosol. Bisherige Transfektions- und Transduktionsmethoden basieren vorwiegend auf viralen Vektoren oder Lipidnanopartikeln. Beide Darreichungsformen weisen jedoch klare methodische Limitationen bezüglich Immunogenität, Verteilungsvolumen, Ladekapazität und Gewebespezifität auf. Aus diesem Grund fokussiert sich die biotechnologische Forschung auf die Entwicklung maßgeschneiderter Nicht-Virus-Spezies für den zielgerichteten Nukleinsäuretransfer.

Rationales Proteindesign via Generativer KI

Am Institut für Stammzellforschung (ISF) sowie am Institut für Entwicklungsgenetik (IDG) von Helmholtz Munich und der TUM wurden die RNA-Transporter grundlegend neu konzipiert. Die Forschenden kombinierten funktionelle Proteinbausteine mit einem mittels generativer KI entworfenen Gerüstprotein, das topologische Geometrien außerhalb des natürlichen Faltungsraums einnehmen kann. „Wir wollten die Natur nicht nachbauen, sondern neue Strukturen für eine konkrete Aufgabe schaffen: den effizienten Transport von RNA“, sagt Dr. Christoph Gruber.

Im Screening von über einhundert konstruierten Varianten zeigten insbesondere jene Proteinstrukturen mit nicht-natürlichen Symmetrien hohe Transfektionsraten. Als leistungsfähigster Vektor kristallisierte sich STV-C8 heraus. „Dass ausgerechnet eine Struktur so gut funktioniert, die sich deutlich von natürlichen Viruskapsiden unterscheidet, war für uns ein entscheidender Befund“, sagt Dr. Maren Kirstin Schuhmacher. „Er zeigt das Potenzial, das darin steckt, den Formenraum von Proteinen mit KI gezielt zu erweitern.“

In-vitro-Validierung, Transfektionseffizienz und Modularität

In In-vitro-Assays erzielte STV-C8 eine signifikant höhere Transfektionsrate im Vergleich zu virusähnlichen Partikeln (VLPs) und kommerziellen Lipidnanopartikeln. Aufgrund der erhöhten zellulären Aufnahme war für eine äquivalente zelluläre Translation eine deutlich geringere RNA-Dosis erforderlich. Das Vektorsystem zeigte sich flexibel gegenüber unterschiedlichen RNA-Frachten und ließ sich durch Oberflächenmodifikationen zielzellspezifisch funktionalisieren. „Diese Modularität ist für uns besonders wichtig, weil wir den Transporter an unterschiedliche Anwendungen und Zielzellen anpassen können“, sagt Dr. Florian Giesert.

In-vivo-Funktionalität und In-situ-Geneditierung

Die präklinische Evaluation im Mausmodell zeigte nach intravenöser Applikation von STV-C8 eine prädominante Expression der Reporter-RNA im Lungengewebe. Es traten keine Akuttoxizitäten oder systemischen Immunreaktionen auf. Zur Validierung der genomischen Editierungseffizienz wurde STV-C8 mit Ribonukleoprotein-Komponenten des CRISPR/Cas9-Systems beladen und intramuskulär im Großtiermodell (Schwein) verabreicht. In situ konnte das Exon-Skipping bzw. die Deletion eines krankheitsrelevanten Abschnitts im Dystrophin-Gen nachgewiesen werden, dessen Mutation für das Krankheitsbild der Duchenne-Muskeldystrophie verantwortlich ist.

Translationale Perspektiven

Obwohl sich STV-C8 derzeit im experimentellen Stadium befindet, bietet die Plattform Grundlagen für künftige translational-analytische Entwicklungen. Schwerpunkt nachfolgender Untersuchungen bildet die Optimierung der Pharmakokinetik, der Biodistribution sowie der Gewebespezifität. „Mit STV-C8 haben wir eine Plattform geschaffen, die wir nun für unterschiedliche therapeutische Anwendungen weiterentwickeln können“, sagt Prof. Wolfgang Wurst. Zur wirtschaftlichen und klinischen Translation plant das Forschungsteam die Gründung eines Ausgründungsunternehmens.

Quelle

Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) (09/2026)