Nur durch maschinelles Lernen und KI können wir alle Chemikalien um uns herum in den Griff bekommen, sagen Forscher

Der JACS Au hat gerade veröffentlicht eine eingeladene Perspektive von Dr. Saer Samanipour und seinem Team auf die gewaltige Herausforderung, alle Chemikalien um uns herum zu kartieren. Samanipour, Assistenzprofessor am Van ‚t Hoff Institute for Molecular Sciences der Universität Amsterdam (UvA), zieht eine Bestandsaufnahme der verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnisse und kommt zu dem Schluss, dass ein wirklich proaktives Chemikalienmanagement derzeit nicht möglich ist.

Um das riesige und expandierende chemische Universum wirklich in den Griff zu bekommen, befürwortet Samanipour den Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz als Ergänzung zu bestehenden Strategien zur Erkennung und Identifizierung aller Moleküle, denen wir ausgesetzt sind.

In der Fachsprache der Wissenschaft wird die Gesamtheit aller Moleküle, denen wir ausgesetzt sind, als „Exposom-chemischer Raum“ bezeichnet und steht im Mittelpunkt von Samanipours wissenschaftlichen Bemühungen. Seine Mission ist es, diesen riesigen molekularen Raum zu erforschen und ihn bis in die „entferntesten“ Winkel abzubilden. Angetrieben wird er dabei von Neugier, aber noch mehr von Notwendigkeit.

Die direkte und indirekte Belastung durch eine Vielzahl von Chemikalien, deren genaueste Kenntnis wir zumeist nicht kennen, stellt eine erhebliche Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Schätzungen zufolge sind beispielsweise 16 % aller vorzeitigen Todesfälle weltweit auf Umweltverschmutzung zurückzuführen.

Auch die Umwelt leidet, was sich beispielsweise im Verlust der Artenvielfalt zeigt. Samanipour zufolge kann man argumentieren, dass die Menschheit den sicheren Handlungsspielraum für die Einführung künstlich hergestellter Chemikalien in das System des Planeten Erde überschritten hat.

Der derzeitige Ansatz ist von Natur aus passiv

„Es ist ziemlich unbefriedigend, dass wir so wenig darüber wissen“, sagt er. „Wir wissen kaum etwas über die Chemikalien, die bereits im Einsatz sind, und schon gar nicht, ob wir mit den neuen Chemikalien mithalten können, die derzeit in beispiellosem Tempo hergestellt werden.“

In einer früheren Studie schätzte er, dass weniger als 2 % aller Chemikalien, denen wir ausgesetzt sind, identifiziert wurden.

„Die Art und Weise, wie die Gesellschaft mit diesem Thema umgeht, ist von Natur aus passiv und bestenfalls reaktiv. Erst wenn wir die Auswirkungen des Kontakts mit Chemikalien beobachten, verspüren wir den Drang, sie zu analysieren. Wir versuchen, ihr Vorhandensein, ihre Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit festzustellen, und wir versuchen, die Mechanismen zu ermitteln, durch die sie Schaden anrichten.

„Dies hat zu zahlreichen Problemen geführt, zuletzt zur Krise mit den PFAS-Chemikalien. Aber auch mit Flammschutzmitteln, PCB, FCKW usw. gab es große Probleme“, fügt er hinzu.

Zudem zielen Regulierungsmaßnahmen überwiegend auf Chemikalien ab, die eine sehr spezielle Molekülstruktur aufweisen und in großen Mengen produziert werden.

Samanipour sagt: „Es gibt unzählige andere Chemikalien, über die wir nicht viel wissen. Und diese sind nicht nur vom Menschen hergestellt; auch die Natur produziert Chemikalien, die uns schaden können. Auf rein natürlichem synthetischem Wege oder durch die Umwandlung von vom Menschen hergestellten Chemikalien.“

Insbesondere die letztgenannte Kategorie wurde laut Samanipour systematisch übersehen. „Herkömmliche Methoden haben nur einen Bruchteil des Exposoms katalogisiert, Transformationsprodukte übersehen und oft zu unsicheren Ergebnissen geführt.“

Wir brauchen einen datengesteuerten Ansatz

Der Artikel in JACS Au untersucht eingehend die neuesten Bemühungen zur Kartierung des chemischen Raums des Exposoms und diskutiert deren Ergebnisse. Ein Hauptengpass besteht darin, dass die konventionelle chemische Analyse auf bekannte oder vorgeschlagene Strukturen ausgerichtet ist, da diese der Schlüssel zur Interpretation von Daten sind, die mit Analysemethoden wie Chromatographie und Massenspektrometrie (GC/LC-HRMS) gewonnen wurden. Daher werden die eher „unerwarteten“ Chemikalien übersehen. Diese Tendenz wird bei der sogenannten nicht zielgerichteten Analyse (NTA) vermieden, aber selbst dann sind die Ergebnisse begrenzt.

In den letzten fünf Jahren wurden 1.600 Chemikalien identifiziert, und jedes Jahr werden allein auf dem US-Markt etwa 700 neue Chemikalien eingeführt.

Samanipour sagt: „Wenn man die potenziellen Transformationsprodukte dieser neuen Chemikalien berücksichtigt, muss man zu dem Schluss kommen, dass die Geschwindigkeit der NTA-Studien viel zu langsam ist, um mithalten zu können. Wenn es so weitergeht, wird unser chemisches Exposom weiterhin unbekannt bleiben.“

Das Papier listet diese und viele weitere Engpässe der aktuellen analytischen Wissenschaft auf und schlägt Wege zur Verbesserung der Ergebnisse vor. Insbesondere der Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz werde das Feld wirklich voranbringen, argumentiert Samanipour.

Er sagt: „Wir brauchen einen datengesteuerten Ansatz in mehreren Richtungen. Erstens sollten wir die Datamining-Bemühungen intensivieren, um Informationen aus vorhandenen chemischen Datenbanken herauszufiltern. Bereits erfasste Beziehungen zwischen Struktur, Exposition und Wirkung identifizierter Chemikalien werden uns zu neuen Erkenntnissen führen. Sie könnten zum Beispiel helfen, die gesundheitlichen Auswirkungen verwandter Chemikalien vorherzusagen, die noch nicht identifiziert sind.“

„Zweitens müssen wir bereits vorhandene Analysedaten, die mit etablierten Methoden gewonnen wurden, retrospektiv analysieren und so den identifizierten chemischen Raum erweitern. Wir werden dort mit Sicherheit Moleküle finden, die bisher übersehen wurden. Und drittens können wir mithilfe der KI daran arbeiten, die Struktur und den Umfang des chemischen Raums des Exposoms zu verstehen.“

Natürlich ist das alles eine sehr komplexe und entmutigende Angelegenheit, ist sich Samanipour bewusst. Aber als eine Art Astronaut im molekularen Raum – genau wie die Entdecker des realen Universums – lässt er sich von dieser Komplexität nicht abschrecken. „Wir müssen hart arbeiten, um das in den Griff zu bekommen. Ich mache mir keine Illusionen, dass wir während meiner wissenschaftlichen Karriere in der Lage sein werden, den chemischen Raum des Exposoms vollständig zu kartieren. Aber es ist zwingend erforderlich, dass wir uns seiner Komplexität stellen, sie diskutieren und die ersten Schritte unternehmen, um sie in den Griff zu bekommen“, fügt er hinzu.