gateSTORY – Künstliche Intelligenz in der Bioanalytik

Die erfolgreichen Innovationen von MSAID und Orbem

MSAID und Orbem wenden künstliche Intelligenz (KI) in der Bioanalytik an. So verbessern die gate-Startups mit ihrer Software beispielsweise die Proteinanalytik oder sparen wertvolle Ressourcen ein.

Das Team von MSAID hat sich zur Mission gemacht, die Datenanalyse in der Proteomik zu optimieren. Dank der MSAID-Software können in Zukunft beispielsweise bessere Diagnosen gestellt werden, die es erlauben, Therapien individuell auf die molekularen Signaturen von Krankheiten anzupassen. Dies ist vor allem bei Krebserkrankungen wichtig, da sich augenscheinlich ähnliche Tumore zwischen Patienten auf molekularer Ebene deutlich unterscheiden können.

In der Proteomik werden Proteine identifiziert und quantifiziert, indem Informationen über ihre Bruchstücke – die sogenannten Peptide – gesammelt werden. Das übernimmt ein Massenspektrometer, das laut Dr. Martin Frejno, Mitgründer und CEO von MSAID, vereinfacht gesagt eine „feine Waage für Moleküle in der Gasphase“ ist. Er erklärt weiter, dass die von Massenspektrometern generierten Daten – die sogenannten Fragmentspektren – früher manuell analysiert wurden, um Peptide und damit Proteine zu identifizieren. Seit 25 Jahren geschieht dies nun schon automatisiert mit Hilfe von Spezialsoftware. Massenspektrometer wurden stets optimiert und sind nun sehr schnell und sensitiv. Nur die computergestützte Analyse der gesammelten Daten hatte sich in den letzten 25 Jahren kaum weiterentwickelt. An dieser Stelle setzt MSAID an. Das Team hat eine Software entwickelt, die neben der Masse nun auch die zweite Dimension in Fragmentspektren nutzbar macht: die Intensität. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Peptide robuster zu identifizieren, was einen Meilenstein in der Datenanalyse bedeutet.

SOFTWARE ZUR PROBENANALYSE

INFERYS heißt diese Software, die die Analyse des Proteoms durch die Vorhersage von aussagekräftigen Eigenschaften von Peptiden qualitativ deutlich aufwertet. Die KI hinter INFERYS wurde auf Grundlage eines etablierten Deep Learning Modells trainiert. INFERYS kann auch in anderen Bereichen zur Probenanalyse eingesetzt werden. Zu den Kunden zählen forschende Pharmaunternehmen, denen MSAID auch die Möglichkeit zur Verfügung stellt, die KI auf eigenen Daten zu trainieren.

Die Gründer von MSAID lernten sich an der Technischen Universität München (TUM) am Lehrstuhl für Proteomik und Bioanalytik kennen. Dr. Martin Frejno, Dr. Daniel Zolg und Dr. Mathias Wilhelm erkannten schnell das große Potenzial der Technologie und setzten sich zum Ziel, diese für die Praxis nutzbar zu machen. Ein Software-Prototyp war bereits nach einem Jahr fertig und MSAID wurde im August 2019 gegründet. Zwei Monate darauf zog das Team ins gate ein. Zwei weitere Standorte sind in Köln und Berlin. Mittlerweile sind bei MSAID neun Mitarbeiter beschäftigt und das Team soll weiterhin wachsen.

ZUSAMMENARBEIT MIT WELTMARKTFÜHRER

Einen Meilenstein für MSAID stellt die Zusammenarbeit mit Thermo Fisher Scientific dar. Mit dem weltweit führenden Spezialisten für Forschung und Wissenschaft im Bereich der Proteomik schloss das gate-Startup Mitte 2020 einen Vertrag ab, der INFERYS als festen Bestandteil von Thermo Fisher Scientific’s Software Framework für die Analyse von Massenspektren vertreibt. „Auf die Kooperation mit Thermo Fisher Scientific sind wir sehr stolz. Das ist die Bestätigung, dass unsere Software mit Sicherheit einen großen Unterschied in der Bioanalytik macht“, betont Dr. Martin Frejno.

Was den Gründer selbst immer wieder an seiner Arbeit fasziniert: INFERYS funktioniert hervorragend und die gewünschten Eigenschaften von Peptiden können mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Der Vorgang, wie diese Ergebnisse zustande kommen, kann vom menschlichen Verstand jedoch bisher nicht nachvollzogen werden. Dennoch stellen sie einen großen Mehrwert für die Forschung dar.

ORBEM – SCHNELLE, GÜNSTIGE UND EINFACHE KLASSIFIZIERUNG VON HÜHNEREIERN

Orbem entwickelt den „Genus“ – Hard- und Software für die Klassifizierung von Hühnereiern. Damit sorgt das Team nicht nur für Ressourcenschonung und Kosteneinsparungen. Auch können Milliarden Eier sinnvoll verwendet werden, die die Geflügelindustrie im Moment ansonsten jedes Jahr verschwendet. Die Hardware besteht aus Magnetresonanztomographie (MRT)-Bestandteilen. Das bildgebende Verfahren ist bekannt für die medizinische Diagnose von Gewebe. Orbem kombiniert die MRT-Technologie mit einer eigens entwickelten Software und sorgt so für eine Innovation bei der Datengenerierung

Das bietet folgende Vorteile: der Scan kann berührungslos und damit einfacher und schneller durchgeführt werden. Alternative Verfahren arbeiten entweder mit Probenentnahme, bei der die Eierschale geöffnet werden muss. Oder sie funktionieren erst sehr viel später, was eine sinnvolle Verwendung aussortierter Eier unmöglich macht. Mit einem Scan bleibt das Ei jedoch unbeschädigt, womit außerdem die Bio-Sicherheit gewährleistet werden kann.

INDIVIDUALISIERTE PRODUKTLINIEN

Die Kunden von Orbem sind Brütereien, die Eier für Mast- oder Legehühner ausbrüten. Dementsprechend bietet Orbem zwei Produktlinien an. Die erste Linie richtet sich an Brütereien für Masthühner und analysiert die Eier bereits vor dem Brüten. Sie werden klassifiziert in befruchtet oder unbefruchtet und gesund oder krank. Durch das Aussortieren von unbefruchteten Eiern kann Energie gespart werden, die sonst für die Brutzeit von circa drei Wochen verschwendet würde. Die unbefruchteten Eier können stattdessen konsumiert oder industriell verarbeitet werden.

Die zweite Produktlinie richtet sich an Brütereien von Legehühnern. Die Eier werden vor dem siebten Bruttag gescannt und zusätzlich zu Befruchtung und Gesundheitszustand in männlich oder weiblich klassifiziert. Durch die Aussortierung von männlichen, befruchteten Eiern vor dem siebten Tag können sie alternativ zum Beispiel zur Züchtung von Impfstoffen verwendet werden.

GROSSES ZUKUNFTSPOTENZIAL

Kai Riemenschneider ist bei dem gate-Startup für die Unternehmensentwicklung verantwortlich und davon überzeugt, dass die Technologie großes Potenzial für den Einsatz in vielen weiteren Industrien hat: „Heutige MRTs sind zu teuer, zu langsam und zu komplex für den Einsatz außerhalb des Krankenhauses. Indem wir die Bildgebung nicht mehr für das menschliche Auge, sondern ein KI-Modell optimieren, können wir günstige, schnelle und spezialisierte MRT-Systeme für eine Vielzahl anderer Anwendungen verfügbar machen – zum Beispiel in der Geflügelindustrie.“ Ein weiterer Vorteil ist, dass auch günstige MRTs vielseitiger genutzt werden können, wenn eine zuverlässige Auswertung trotz geringerer Bildqualität möglich ist.

Das Team besteht inzwischen aus zwölf Mitarbeiter*innen. Ein Meilenstein war der Fördergewinn des internationalen Egg-Tech Prize, der von der Foundation for Food & Agriculture Research (FFAR) vergeben wurde für die Förderung für Geschlechtsbestimmung von Hühnereiern. Auch auf eine Exist-Förderung kann das Team bauen. Ziele für 2021 sind, eine Finanzierung abzuschließen, das Team weiter zu vergrößern und die Hürde vom Pilotprojekt zum regulären Verkauf zu schaffen. Ab März plant das Team bereits Pilotprojekte in Brütereien.