Über den menschlichen Körper existieren viele Missverständnisse. Eines davon: Es gibt, so die landläufige Annahme, ein paar Hundert Zelltypen. Haut, Darm, Haar, Gehirnzellen, drei Arten von Muskelzellen (Herz, Skelett, glatt) und so weiter. Die Realität ist deutlich komplizierter. Der menschliche Körper besteht aus Billionen von Zellen, und es gibt sehr viel mehr Varianten als die paar Hundert, die man unter dem Mikroskop unterscheiden kann.

Zellen, die gleich aussehen, können ein ganz unterschiedliches Innenleben haben. Dass die Wissenschaft darüber im Moment immerzu neue Erkenntnisse gewinnt, hat etwas mit einer Abkürzung zu tun, die Impfgegner schaudern lässt: mRNA. Diese Messenger-RNA transportiert die Baupläne für Proteine, die Zellen herstellen. Und zwar von der DNA, gewissermaßen der Festplatte jeder Zelle, zu den Ribosomen, gewissermaßen den 3D-Druckern der Zelle.

Steckbriefe für Zelltypen

Wenn man sich genau ansieht, welche mRNA in einer bestimmten Zelle wann unterwegs ist, erfährt man oft auch, was diese Zelle gerade tut, und findet gewaltige Unterschiede. Es gibt eben nicht nur zwei Sorten Zellen, aus denen Blutgefäße bestehen, sondern mindestens Dutzende . Die Fachleute, die in oft großen Teams an solchen Fragen arbeiten, sprechen jetzt von »molekularen Profilen«, anhand derer sie Zellen künftig voneinander unterscheiden wollen.

Vor gut zwei Wochen ist ein ganzer Stapel von hochkarätigen wissenschaftlichen Publikationen  erschienen, allesamt Zwischenergebnisse des internationalen Großprojekts »Human Cell Atlas«  (HCA): Ein gewaltiges Konsortium aus Tausenden Forschenden in 102 Ländern arbeitet an einem Katalog aller Zelltypen im menschlichen Körper. Das wird die Medizin mittelfristig revolutionieren: Wer genau hinsehen kann, sieht mehr und findet Zusammenhänge und Wirkmechanismen, die vorher unsichtbar waren.

Menschen auf sechs Kontinenten untersucht

Wenn das komplexe Zusammenspiel von Zellen etwa im Magen-Darm-Trakt, im Lymphsystem, der Thymusdrüse (einem zentralen Bestandteil des Immunsystems) besser verstanden ist, können neuartige und gezielte Therapien für bestimmte Krankheiten auf Basis der Erkenntnisse entwickelt werden.

Das HCA-Konsortium ist eine Art Prototyp für die inter- und transdisziplinäre Forschung der Zukunft. Dazu gehören Fachleute für Biologie, klinische Medizin, (Bio-)Informatik, Ingenieurwissenschaften, aber auch für Ethik  und Recht. Es geht darum , »eine umfassende Enzyklopädie gesunder Zellen und ihres Verhaltens in Personen zu generieren«, und zwar auf eine Weise, die sicherstellt, dass »unterschiedliche Altersgruppen, Geschlechter und Lebensweisen aus so vielen Populationen und Umwelten wie möglich« repräsentiert sind.

Für das Projekt werden Zellen von Menschen auf sechs Kontinenten untersucht, denn genetische Variation ist ein wichtiger Faktor, etwa beim Risiko für und dem Verlauf von unterschiedlichen Erkrankungen. Die Medizin der Zukunft wird menschliche Vielfalt viel stärker berücksichtigen müssen und können, als das bisher der Fall ist.

Ein Symbol für das, was die Menschheit verbindet

Der »Human Cell Atlas« ist damit in diesen aggressiven und konfliktreichen Zeiten auch ein Symbol für unsere einzigartige Fähigkeit zur Zusammenarbeit und unser geteiltes Menschsein. Es klingt fast ein bisschen pathetisch, wenn Forschende aus Bangladesch und den USA, Äthiopien und China, Indien und den Niederlanden von einer gemeinsamen »Verpflichtung für die ganze Menschheit « sprechen – aber genau solche Ansätze braucht die Menschheit im Moment mehr denn je.

Das Projekt wird eines Tages dabei helfen, Krankheiten von Alzheimer bis zu viraler Enzephalitis, von Asthma bis Colitis ulcerosa besser zu verstehen und zu bekämpfen – und natürlich auch die größten Killer unter den Krankheiten, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs . Oder gar den Prozess des Alterns  an sich verständlich machen. Zu Zellen, die mit all den genannten Krankheiten in Verbindung stehen, gibt es mittlerweile Profile, und auch das ist nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Gesamtprojekt.

Unser Körper ist eine komplizierte Maschine, die aus einem unglaublich komplexen Zusammenspiel zahlloser winziger Maschinen besteht, in deren Inneren noch winzigere Maschinen bestimmte Aufgaben verrichten. Jetzt beginnt die Menschheit, dieses Wunderwerk zu verstehen, Schritt für Schritt, Ebene für Ebene. Dabei helfen uns jetzt Maschinen, die wir selbst gebaut haben.

Künstliche hergestellte Zellen, simulierte Zellen

Es gibt zwei große Hauptrichtungen, in denen sich diese wissenschaftliche Entwicklung vollzieht:

• Die Herstellung künstlicher Häufchen von Organzellen, sogenannter Organoide , mit denen sich dann etwa die Wirkung bestimmter Medikamente gewissermaßen im lebenden Modell testen lässt

• Die Verschmelzung von Molekularbiologie und maschinellem Lernen

Ursprünglich initiiert haben das HCA-Projekt im Jahr 2016 Sarah Teichmann vom Wellcome Sanger Institute in Cambridge und Aviv Regev von der Biotech-Firma Genentech . Beide sind Fachleute in einem Gebiet, das verspricht, die wichtigste wissenschaftliche Disziplin des 21. Jahrhunderts zu werden: Computational Biology, wörtlich übersetzt rechnergestützte Biologie, auf Deutsch auch oft Bioinformatik genannt.

Die Verschmelzung dessen, was wir über DNA, RNA, Proteine und andere Kleinstbauteile des Lebens wissen, mit dem, was heute oft künstliche Intelligenz genannt wird, war in dieser Kolumne über die Jahre immer wieder Thema. Sie kommt jetzt so richtig in Schwung.

Die Maschine als Taschenlampe im überfüllten Keller

Proteine und andere organische Makromoleküle wie unsere DNA sind nichts anderes als komplexe Datensätze. Doch ihre Formen und Interaktionen sind so vielfältig, dass sie gewaltige Suchräume aufspannen. Darin verbergen sich Erkenntnisse, Anwendungen, Therapiemöglichkeiten. Maschinelles Lernen aus gewaltigen Trainingsdatensätzen soll in diesen Suchräumen Muster und Lösungen finden. Das funktioniert beim Brettspiel Go, es funktioniert bei der Vorhersage, welche Form ein bestimmtes Protein auf Basis seines RNA-Bauplans haben wird – und es soll, das ist Teichmanns und Regevs Vision, eines Tages für den ganzen Körper und die komplexen Wechselwirkungen seiner zahllosen Maschinen und Maschinchen funktionieren.

ChatGPT für den Körper?

Das große Fernziel des Projekts sind »Foundation-Modelle« der Biologie . Mit »Foundation Models« werden bislang vor allem Computermodelle bezeichnet, die etwa den großen Sprachproduktionssystemen der KI-Gegenwart zugrunde liegen, von Anthropic und ChatGPT über Claude bis Llama und LaMDA. Daten über Zellen und Moleküle haben gegenüber Sprache oder anderen menschlichen Hervorbringungen einen entscheidenden Vorteil: Sie sind sehr genau und bieten wenig Interpretationsspielraum.

Mit solchen Grundlagenmodellen, die mit riesigen Datenmengen über menschliche Zellen und Makromoleküle gefüttert werden, suchen Fachleute schon jetzt nach neuen Medikamenten, nach erweiterten Anwendungen für schon vorhandene Medikamente oder nach potenziellen Nebenwirkungen – noch bevor eine Substanz jemals an lebenden Zellen ausprobiert wird. Fachleute für maschinelles Lernen haben in Pharmazie und Biotechnologie eine goldene Zukunft vor sich.

Die wichtigste Wissenschaft des 21. Jahrhunderts

Eines fernen Tages wird dabei hoffentlich eine Art Gesamtmodell menschlicher Organismen in all ihrer Vielfalt herauskommen. Ein digitaler Zwilling, der Aussagen über unterschiedliche Körper zulässt, Krankheiten und Behandlungsformen auf völlig neue Weise zugänglich macht, bis herunter auf die molekulare Ebene.

Die Verschmelzung von Molekularbiologie und rechnergestützten Methoden hat aber auch jenseits der Medizin eine große Zukunft: Biologische Systeme sind um ein Vielfaches flexibler, cleverer und potenziell mächtiger als alles, was Menschen bislang an Technologie entwickelt haben. Schon jetzt ist industrielle Biotechnologie – trotz ihres mancherorts schlechten Rufs – eines der mächtigsten Werkzeuge in unserem Arsenal im Kampf um eine bessere Zukunft. Es gibt schon jede Menge künstlicher Organismen, die klaglos und auf Wunsch bestimmte Substanzen herstellen – etwa Insulin – oder andere Aufgaben erfüllen – etwa Plastik abbauen .