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Wirkstoffforschung: Virtuelles Screening & Molekülgenerierung

Mit ML riesige virtuelle Substanzbibliotheken durchsuchen, Bindung und ADMET-Eigenschaften vorhersagen und neue wirkstoffähnliche Moleküle erzeugen, damit Medizinalchemiker weniger, aber bessere Kandidaten synthetisieren und testen.

Einen Wirkstoffkandidaten zu finden heißt, einen chemischen Raum von weit mehr als 10^60 plausiblen kleinen Molekülen zu durchsuchen. KI grenzt ihn ein: Struktur- und ligandenbasierte Modelle bewerten Milliarden virtueller Verbindungen, generative Modelle schlagen neue vor, abgestimmt auf Wirksamkeit, Selektivität und ADMET, und Active-Learning-Schleifen wählen, was das Labor als Nächstes herstellt. Der Nutzen liegt vor allem in weniger Synthese-und-Test-Zyklen und einer breiteren Erkundung in der frühen Entdeckungsphase, nicht in einer garantierten Abkürzung durch klinische Studien.

Problem & Nutzen

  • Heute: Das Hochdurchsatz-Screening (HTS) testet hunderttausende bis Millionen physischer Substanzen mit hohen Kosten und niedrigen Trefferquoten. Hit-to-Lead und Lead-Optimierung durchlaufen danach viele Design-Make-Test-Analyse-Zyklen (DMTA), die jeweils Wochen dauern.
  • KI-Nutzen: Ultragroßes virtuelles Screening (Docking plus ML-Rescoring) reichert Treffer an, bevor Laborarbeit anfällt; generatives Design erkundet neuartige Grundgerüste und Mehrparameter-Optimierung; ADMET-Modelle erkennen Risiken früh; Active Learning verringert die Zahl der hergestellten Substanzen.
  • Belege: KI-abgeleitete Moleküle sind in klinische Studien eingetreten (z. B. der TNIK-Inhibitor Rentosertib von Insilico Medicine in Phase 2a, veröffentlicht in Nature Medicine 2025) [4], doch es gibt noch keinen breiten Nachweis, dass sich Zulassungsquoten oder Zeitpläne insgesamt verändert haben; betrachten Sie Herstelleraussagen zur Geschwindigkeit als Einzelfälle [5].

Varianten

  • Strukturbasiertes virtuelles Screening: Docking und Co-Folding von Liganden an eine bekannte oder vorhergesagte Zielstruktur (siehe SCI-001).
  • Ligandenbasiertes Screening und QSAR: Ähnlichkeits-, Pharmakophor- und Graph-Neural-Network-Modelle, wenn keine Struktur vorliegt.
  • De-novo-/generatives Design: Diffusions-, autoregressive und Reinforcement-Learning-Generatoren sowie fragmentbasierte und Scaffold-Hopping-Modi.
  • ADMET- und Eigenschaftsvorhersage: Löslichkeit, Permeabilität, hERG, metabolische Stabilität; Verbindung zu SCI-015 für die Sicherheitsbewertung.
  • Akademie / kleine Biotechs: offene Werkzeuge plus Cloud-GPUs; Big Pharma: föderierte oder proprietäre Plattformen. Keine Verbraucher-Variante.

So funktioniert es

target definition (SCI-017) + structure (SCI-001)
  -> library preparation (enumerated, make-on-demand, in-house; filters for PAINS/drug-likeness)
  -> virtual screening (docking -> ML rescoring/co-folding -> free-energy refinement of top hits)
  -> generative design (conditioned on pocket or on actives; multi-objective scoring)
  -> property/ADMET prediction + synthesisability (SCI-004 retrosynthesis)
  -> medicinal chemist review (human-in-the-loop selection)
  -> synthesis + assays (SCI-007 automation) -> data back to models (active learning)
  • Bewertung: Klassisches Docking (schnell, ungenau) wird mit gelernten Bewertungsfunktionen kombiniert und, für die letzten paar hundert, mit physikbasierten Freie-Energie-Störungsrechnungen (FEP).
  • Co-Folding-Modelle (AlphaFold-3-Klasse, Boltz-2) sagen ligandengebundene Strukturen voraus und, im Fall von Boltz-2, eine Affinitätsschätzung, die auf Benchmark-Sets der FEP-Genauigkeit bei weit geringeren Kosten nahekommt [2].
  • Generative Modelle schlagen Moleküle als SMILES-Zeichenketten, Graphen oder 3D-Punktwolken vor; ein Bewertungsorakel (Docking, ML, auf Assays trainierte Modelle) steuert sie.
  • Mensch-in-der-Schleife (Human-in-the-Loop): Chemiker legen ihr Veto gegen instabile, toxische, nicht synthetisierbare oder mit Schutzrechten kollidierende Strukturen ein; Labordaten sind die maßgebliche Wahrheit.

Datenaufbereitung

Eingaben sind Substanzbibliotheken (SMILES/SDF), historische Assay- und ADMET-Ergebnisse, Zielstrukturen und Literatur. Sie liegen typischerweise in ELN-/LIMS-Systemen, Chemie-Datenbanken, Excel-Dateien von CROs und PDF-Berichten.

Typische Lücken: uneinheitliche Strukturdarstellungen (Salze, Tautomere, Stereochemie), doppelte Substanzen unter verschiedenen IDs, Assay-Werte mit gemischten Einheiten und Schwellenangaben („<10 uM"), Activity Cliffs durch abweichende Assay-Protokolle und CRO-Daten, die nur als PDF geliefert werden. Auf solchen Daten trainierte Modelle erben das Rauschen, daher begrenzt die Datenqualität die Genauigkeit stärker als die Modellwahl.

Schritte der Aufbereitung: 1. Quellen und Verantwortliche erfassen (PREP-001, PREP-004, PREP-005). 2. Strukturen mit einer festen RDKit-Pipeline standardisieren und Duplikate entfernen. 3. Einheiten, zensierte Werte und Assay-Metadaten in saubere Tabellen normalisieren (PREP-011, PREP-012). 4. Tabellen aus CRO-Berichten und Publikationen extrahieren (PREP-006, DOC-014). 5. Mit den Chemikern ein Testset mit Scaffold-Split definieren (PREP-018). 6. Substanzdaten als vertraulich einstufen und den Zugriff beschränken (PREP-024).

Aufwandsanteil: hoch - typischerweise die Hälfte des Projekts oder mehr. Für einen Reifegrad-Check siehe GUIDE-003.

Umsetzungswege

Welcher Weg für wen

  • Enterprise: Weg B - elastische Cloud-GPU-Kapazität in einer EU-Region und verwaltete Docking-/ADMET-Dienste passen zu Screening-Kampagnen mit Lastspitzen; wechseln Sie zu C, wenn Volumen oder IP-Sensibilität der Substanzbibliothek einen eigenen Cluster rechtfertigen.
  • Developer: Weg C - offene Werkzeuge (RDKit, Docking-Engines, offene generative Modelle) geben volle Kontrolle und verursachen keine Kosten pro Aufruf; Cloud-APIs nur für Spitzenlasten.

Weg A - Kaufen (Plattform / CRO)

  • Software-Plattformen: Schrodinger (Physik + ML, FEP+), Cadence OpenEye/Orion, Chemical Computing Group MOE, BIOVIA (Dassault, EU), Optibrium StarDrop (UK), Cresset (UK), deepmirror (UK), Iktos (Frankreich, EU, generatives Design plus Robotik), Exscientia-Erbe nun innerhalb von Recursion, Wissensplattformen vom Typ BenevolentAI (UK).
  • KI-first-Entdeckungspartner: Isomorphic Labs (Partnerschaften mit großen Pharmaunternehmen), Insilico Medicine, Recursion, XtalPi; zu den EU-Dienstleistern zählen Evotec (Deutschland) und Nuvisan.
  • A wählen, wenn: Sie ein Biotech ohne Computational-Team sind oder ein gemeinsames Programm wünschen. Prüfen Sie Eigentum an geistigem Eigentum der erzeugten Moleküle, Datennutzungsrechte und Ausstiegsbedingungen.

Weg B - Auf Cloud-KI-Diensten aufbauen (für Unternehmen empfohlen)

  • Verwaltete Modelldienste: NVIDIA BioNeMo (NIM-Microservices für DiffDock, MolMIM, GenMol, Boltz-2), HPC- und GPU-Instanzen von AWS/Azure/Google Cloud in EU-Regionen. Die Gewichte von AlphaFold 3 sind auf akademische Nutzung beschränkt [1].
  • Orchestrierung: Pipelines mit Nextflow/Snakemake oder Airflow, ELN-/LIMS-Integration (Benchling, Dotmatics, Genedata), Chemoinformatik über RDKit.
  • Rolle der LLMs: Literaturauswertung, Patentlandschaft, Extraktion aus Assay-Berichten und agentische Werkzeugsteuerung (siehe SCI-011); nicht das zentrale Molekülmodell.

Weg C - Selbst betreiben (Open Source)

  • Docking / Screening: AutoDock Vina, GNINA (CNN-Rescoring), DiffDock, Uni-Dock (GPU), DOCK, OpenMM für MD, OpenFE für offene Freie-Energie-Berechnungen.
  • Co-Folding: Boltz-1/Boltz-2 (MIT-Lizenz), Chai-1, Protenix, OpenFold3.
  • Generativ: REINVENT 4 (AstraZeneca, Open Source), DiffSBDD, Modelle der Pocket2Mol-Klasse, TargetDiff; Eigenschaftsmodelle: Chemprop, ADMET-AI, Foundation-Modelle vom Typ MolFormer.
  • Chemie-Kern: RDKit, Datamol, DeepChem, Open Babel.
  • Hardware: HW2 bewältigt ein Projekt mit einer einzelnen Bindetasche; HW3/HW4 für Docking ultragroßer Bibliotheken und Boltz-2 im großen Maßstab. Der Betriebsaufwand ist erheblich; es braucht Computational Chemists.

Weg D - Eigenes Training

Lohnt sich, wenn Sie eigene Assay-Daten besitzen (typischerweise zehntausende gemessener Substanzen für eine Zielfamilie oder einen ADMET-Endpunkt). Feintunen Sie Eigenschaftsmodelle oder Generator-Orakel mit hausinternen Daten; föderierte Ansätze wie das EU-/IMI-Projekt MELLODDY zeigten Lernen über mehrere Pharmaunternehmen hinweg, ohne Strukturen zu teilen [6]. Schlechte Datenqualität und Assay-Rauschen, nicht die Modellgröße, begrenzen die Gewinne meist.

Stand der Technik (2026)

  • Co-Folding plus Affinitätsköpfe (Boltz-2, Nachfolger von Chai/AlphaFold 3) haben reines Docking als Strukturvorhersage im ersten Durchgang abgelöst, doch die Verallgemeinerung auf neuartige Bindetaschen und Chemotypen ist schwächer, als die Benchmark-Schlagzeilen nahelegen; Datenleckagen durch ähnliche Komplexe im Trainingsset sind ein bekannter Kritikpunkt.
  • Ultragroßes Screening von Milliarden Molekülen auf Bestellung (Enamine REAL und Ähnliches) ist Routine; ML-gestütztes Docking senkt den Rechenaufwand drastisch.
  • Generatives Design wird an prospektiven Trefferquoten im Labor gemessen, nicht an Benchmark-Werten; viele veröffentlichte Modelle schlagen ohne synthesebewusste Randbedingungen nicht synthetisierbare oder instabile Substanzen vor.
  • Grenzen: Activity Cliffs, Fehler der Bewertungsfunktionen, Toxizität und In-vivo-PK bleiben schlecht vorhersagbar; der Hauptengpass ist die klinische Wirksamkeit beim Menschen, die In-silico-Chemie nicht behebt.

Gemeinsame Bausteine & Kombinationen

Aufwand, Kosten & Kennzahlen

  • Weg A: Wochen bis zum Vertrag; Plattformlizenzen oder meilensteinbasierte Kooperationen, die Kosten schwanken stark.
  • Weg B: 3-6 Monate bis zu einer funktionierenden Pipeline; Kostentreiber sind GPU-Stunden, ELN-Integration und Fachpersonal.
  • Weg C/D: 6-12+ Monate, ein eigenes Team für Computational Chemistry und ML; die Kosten werden von Personal und Datengenerierung bestimmt.
  • Kennzahlen: prospektive Trefferquote gegenüber dem HTS-Ausgangswert, Anreicherungsfaktor, synthetisierte Substanzen pro Leitstruktur-Serie, DMTA-Zykluszeit, Gewinn bei Wirksamkeit/ADMET pro Zyklus, Synthetisierbarkeitsquote, Zeit vom Zielprotein bis zur Nominierung des Kandidaten.

Menschen & Veränderung

Früh einbinden: Die Geschäftsführung und die Abteilungsleitung F&E legen das Zielprofil und die Entscheidungstore fest. Datenverantwortliche (Medizinalchemie, Assay-Gruppen, CRO-Manager) einigen sich auf die Datenfreigabe. Die IT stellt Rechenleistung bereit und integriert ELN/LIMS; IT-Sicherheit und Recht/Compliance decken geistiges Eigentum, CRO-Verträge und Exportregeln ab. Medizinalchemiker als Anwender prüfen jede Auswahlliste.

Betriebsrat: abhängig vom Einzelfall. Der Anwendungsfall überwacht keine Beschäftigten, doch gemeinsam genutzte Plattformen mit Protokollen auf Nutzerebene können unter §87 Abs. 1 Nr. 6 BetrVG fallen, den das Bundesarbeitsgericht anwendet, wenn das System lediglich zur Überwachung von Verhalten oder Leistung geeignet ist. Unterrichten Sie den Betriebsrat rechtzeitig (§90 Abs. 1 Nr. 3 BetrVG); öffentliche Stellen beteiligen den Personalrat. Siehe GUIDE-004.

Datenschutz: keine personenbezogenen Daten in den Substanzdaten; klären Sie nur Benutzerkonten und Protokolle mit dem/der Datenschutzbeauftragten. Klinische oder von Patienten stammende Daten würden dies ändern und eine DSFA erfordern (GUIDE-005).

KI-Kompetenz: Unterstützen Sie die Chemiker mit Schulungen zu Anwendbarkeitsbereichen, Unsicherheit und dem Unterschied zwischen vorhergesagtem und gemessenem Wert (GUIDE-006).

Kommunikation und Pilot: Führen Sie einen retrospektiven Pilot an einem abgeschlossenen Projekt durch: Hätte das Modell die bekannten Treffer gefunden? Teilen Sie die Ergebnisse offen mit dem Projektteam (GUIDE-009, GUIDE-008).

Typische Sorgen: Verlust chemischer Intuition und Vertrauen in Black-Box-Bewertungen. Begegnen Sie ihnen, indem die Chemiker Entscheider bleiben und Vorhersage und Assay-Ergebnis gegenübergestellt werden.

Risiken, Regulierung & Compliance

  • KI-Verordnung (AI Act): minimales Risiko für Forschung im Frühstadium; keine Nutzung nach Anhang III. Die KI-Kompetenz (Art. 4) gilt. Selbst kein Medizinprodukt; nachgelagerte klinische KI wird anderweitig geregelt. Die Forschungsausnahme (Art. 2 Abs. 6) gilt für wissenschaftliche F&E-Systeme.
  • Arzneimittelregulierung: Das Reflection Paper der EMA zu KI im gesamten Lebenszyklus von Arzneimitteln erwartet eine dokumentierte, risikobasierte Nutzung; KI, die nur die Entdeckung unterstützt, hat in der Regel geringe regulatorische Auswirkungen, aber in Zulassungsunterlagen verwendete Daten müssen nachvollziehbar und GxP-konform sein [3].
  • DSGVO: für chemische Daten meist nicht anwendbar; sie gilt, wenn Modelle von Patienten stammende Daten (Omics, klinisch) oder Daten von Forschenden verwenden; Pseudonymisierung und AVV nutzen.
  • Geistiges Eigentum und Lizenzen: Erfinderschaft bei KI-generierten Molekülen, Modelllizenzen (Gewichte von AlphaFold 3 nicht-kommerziell) und Training mit Assay- oder Patentdaten Dritter.
  • Biosecurity / Dual Use: Generative Modelle zur Toxizitätsoptimierung könnten grundsätzlich schädliche Agenzien entwerfen; beschränken Sie den Zugang, protokollieren Sie die Nutzung und prüfen Sie Ausgaben auf Richtlinienebene gegen Listen kontrollierter Agenzien (CWÜ, Australia Group).
  • Technische Risiken: Überanpassung an Benchmarks, halluzinierte Bindungsposen, Assay-Rauschen; mindern durch prospektive Validierung, orthogonale Assays und Prüfung durch Chemiker.

Erste Schritte

  1. Ein Zielprotein mit Struktur und einigen bekannten Wirkstoffen wählen; Erfolg als prospektive Trefferquote gegenüber einem retrospektiven HTS-Ausgangswert definieren.
  2. Eine Basislinie mit offenen Werkzeugen (RDKit + GNINA/Vina + Boltz-2) an einem Benchmark wie DUD-E/LIT-PCBA nachbilden und dabei die Hinweise zu Datenleckagen beachten.
  3. ADMET-Filter und eine Synthetisierbarkeitsprüfung ergänzen; eine kleine prospektive Charge (zehn Substanzen) mit einer CRO durchführen.
  4. Die Datenerfassung (ELN/LIMS) einrichten, sodass jedes Assay-Ergebnis in das Active Learning einfließt.
  5. Nach dem Pilot zwischen Kaufen und Selbstbauen entscheiden und vor der Skalierung Bedingungen für geistiges Eigentum und Modelllizenzen prüfen.

Quellen

  1. Abramson et al., Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3, Nature 2024 - https://www.nature.com/articles/s41586-024-07487-w
  2. Boltz-2 (MIT / Recursion), binding affinity co-folding model - https://github.com/jwohlwend/boltz
  3. EMA - Reflection paper on the use of AI in the medicinal product lifecycle - https://www.ema.europa.eu/en/news/use-artificial-intelligence-ai-medicinal-product-lifecycle-scientific-guideline
  4. Xu et al., Rentosertib phase 2a trial, Nature Medicine 2025 - https://www.nature.com/articles/s41591-025-03743-2
  5. Jayatunga et al., How successful are AI-discovered drugs in clinical trials?, Drug Discovery Today 2024 - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964462400134X
  6. MELLODDY federated drug discovery (IMI) - https://www.melloddy.eu/
  7. REINVENT 4, generative molecular design - https://github.com/MolecularAI/REINVENT4
  8. Regulation (EU) 2024/1689 (AI Act) - https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2024/1689/oj