SQUID entschlüsselt Entscheidungsfindung der KI

by | Jun 21, 2024

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Die in den USA entwickelte Künstliche Intelligenz SQUID soll bei der Auswahl der besten KI-Modelle für die Genom-Forschung helfen.

Künstliche Intelligenz ist aus Forschung und Medizin nicht mehr wegzudenken – vor allem, weil sie dabei hilft, den immensen Datenschatz wie beispielsweise hunderttausende Genomdaten zu erschließen. Was dabei allerdings nie ganz klar ist: Wie kommen die KI-Modelle zu ihren Schlussfolgerungen. Die interne Logik der KI ist mehr oder weniger eine Blackbox. Doch die soll ein neues System nun aufbrechen.

Am privaten, non-profit US-Forschungsinstitut Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) haben Wissenschaftler dafür das Computerprogramm SQUID entwickelt. Die Abkürzung steht für Surrogate Quantitative Interpretability for Deepnets. SQUID soll herausfinden, wie KI-Modelle das Genom analysieren. Dabei sei das Computerprogramm konsistenter als andere Analysewerkzeuge, betont man am CSHL, das Hintergrundrauschen werden reduziert, womit man genauere Vorhersagen über die Auswirkungen genetischer Mutationen machen könne.

Nur die KI versteht die KI

SQUID sei deshalb besser, die Logik der KI zu verstehen, weil SQUID als KI genau darauf trainiert wurde, erklärt CSHL-Assistenzprofessor Peter Koo: „Die Werkzeuge, mit denen man bisher versucht, KI-Modelle zu verstehen, stammen größtenteils aus anderen Bereichen wie dem Computersehen oder der Verarbeitung natürlicher Sprache. Sie können zwar nützlich sein, sind aber für die Genomik nicht optimal. Mit SQUID haben wir uns jahrzehntelanges Wissen aus der quantitativen Genetik zunutze gemacht, um zu verstehen, was diese tiefen neuronalen Netze lernen.”

SQUID generiert zunächst eine Bibliothek von über 100.000 DNA-Sequenzvarianten. Anschließend analysiert es die Mutationsbibliothek und ihre Auswirkungen mit einem Programm namens MAVE-NN (Multiplex Assays of Variant Effects Neural Network). Mit diesem Tool können die Wissenschaftler Tausende von virtuellen Experimenten gleichzeitig durchführen. So können sie die Algorithmen hinter den Vorhersagen einer bestimmten KI „herausfischen”. Dieser rechnerische „Fang” könnte die Voraussetzungen für realitätsnähere Experimente schaffen, glaubt Justin Kinney, außerordentlicher Professor am CSHL und Mitautor der Studie: „In silico, also virtuelle Experimente sind kein Ersatz für tatsächliche Laborexperimente. Dennoch können sie sehr informativ sein. Sie können Wissenschaftlern dabei helfen, Hypothesen darüber aufzustellen, wie eine bestimmte Region des Genoms funktioniert oder wie eine Mutation eine klinisch relevante Wirkung haben könnte.”

Es gibt Unmengen von KI-Modellen und jeden Tag kommen weitere hinzu. Koo, Kinney und ihre Kollegen hoffen, dass SQUID Wissenschaftlern helfen wird, diejenigen zu finden, die ihren speziellen Anforderungen am besten entsprechen. Auch wenn das menschliche Genom kartiert ist, bleibt es ein unglaublich schwieriges Terrain. SQUID könnte Biologen dabei helfen, sich auf diesem Gebiet besser zurechtzufinden, und sie näher an die tatsächlichen medizinischen Auswirkungen ihrer Erkenntnisse heranführen.

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Gemüsekohl für die Gesundheit

Forscher des Leibniz-Instituts für Gemüse- und Zierpflanzenbau haben jene Kohlsorten identifiziert, die besonders wertvolle Pflanzenstoffe für den Menschen beinhalten. Wie die sich auf die Gesundheit auswirken, wird nun in einer Interventionsstudie untersucht.

Grün und vielfältig sollte sie sein, unsere Ernährung. Und einem Gemüse kommt dabei eine besondere Bedeutung zu: Gemüsekohl. Am Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) gibt es mit dem Projekt SharpGreens sogar ein eigenes Forschungsprojekt, das jetzt in die zweite Phase startet. Die wissenschaftliche Fragestellung: Wie beeinflusst eine vielfältige Ernährung reich an Gemüsekohl die Gesundheit? Die humane Interventionsstudie wird gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Freiburg umgesetzt. Erforscht werden sollen vor allem die Auswirkungen auf die Immunfunktionen und das Darmmikrobiom.
Der Interventionsstudie ist eine intensive erste Projektphase vorangegangen, für die am IGZ in den vergangenen 30 Jahre eine umfassende Analytikplattform für sekundäre Pflanzenstoffe und ihre Abbauprodukte entwickelt wurde. Im Fall des Gemüsekohls geht es um die sogenannten Glucosinolate, die beim Verzehr enzymatisch zu gesundheitsfördernden Abbauprodukten, den Isothiocyanaten, umgewandelt werden können. Diese Substanzen haben entzündungshemmende, antikanzerogene und antimikrobielle Eigenschaften. Bisher wurden mehr als 100 verschiedene Glucosinolate in Pflanzen identifiziert, wobei die Wirksamkeit ihrer Abbauprodukte stark variieren kann.
Über 300 Kohlsorten kultiviert
Im Rahmen des Projekts SharpGreens kultivierte das Team von Projektleiterin Dr. Katja Witzel im letzten Jahr 300 Genbank- und 17 kommerzielle Kohlsorten am IGZ und analysierte die Glucosinolat-Gehalte und Abbauprodukte. Dabei wurden 24 Kohlsorten mit verbesserten Glucosinolat-Gehalten und gewünschten -Abbauprofilen identifiziert. Diese stammen aus verschiedenen Regionen, darunter Kohlrabi aus der ehemaligen DDR, Blumenkohl-Sorten aus Italien, Weißkohl aus Japan und Spanien, Grünkohl aus Schweden und bulgarischer Rotkohl. Zur weiteren Aufklärung des enzymatischen Glucosinolat-Abbaus wurde das Proteom aller Kohlsorten am IGZ analysiert und ergänzend dazu eine genomweite Assoziationsstudie vom Projektpartner Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) durchgeführt.
In der nun gestarteten zweiten Projektphase werden die ausgewählten Kohlsorten in der Interventionsstudie am Universitätsklinikum Freiburg unter der Leitung von Prof. Dr. Evelyn Lamy eingesetzt. Es wird untersucht, ob der Verzehr einer vielfältigeren Gemüsekohl-Diät die Gesundheit beeinflusst und ob diese Effekte auf den hohen Gehalt an gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen oder die Pflanzenvielfalt zurückzuführen sind. Die Probanden erhalten dafür in einem randomisierten Crossover-Versuch vier verschiedene Gemüsekohl-Diäten, die aus gefriergetrockneten Kohlpflanzen am IGZ hergestellt werden und definierte Mengen an bioaktiven Substanzen enthalten. Außerdem wird der Einfluss der Vielfalt an Gemüsekohl in der Ernährung auf die Zusammensetzung des Darmmikrobioms untersucht.
Bewusstsein für Vielfalt fördern
Die Forschungsergebnisse sollen anschließend über verschiedene Formate wie Kochevents, Feldführungen und Ausstellungen an die Öffentlichkeit kommuniziert werden. Ziel ist es, das Bewusstsein für den Erhalt der Artenvielfalt in der Landwirtschafft sowie eine vielfältige pflanzenbasierte Ernährung zu fördern. Unterstützt werden die Forscher dabei von proWissen Potsdam e.V. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert SharpGreens im Rahmen der Forschungsinitiative zum Erhalt der Artenvielfalt (FEdA) und der Richtlinie zur Erforschung der Zusammenhänge zwischen Biodiversität und menschlicher Gesundheit (BiodivGesundheit2) mit 1,1 Millionen Euro für einen Zeitraum von drei Jahren.

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