Die Schlüssel zum Pflanzenschutz von morgen

Pflanzenschutz – ähnlich wie viele Medikamente zur Heilung von Krankheiten – funktioniert, indem ein bestimmtes Protein im Zielorganismus gefunden und gehemmt wird.  Durch die Hemmung dieses einen Proteins kann der Schädling selbst gehemmt werden.  Dieses Protein kann als Schloss betrachtet werden, und um die gesamte umliegende Biodiversität zu schützen, müssen unsere Wissenschaftler sicherstellen, dass kein anderer Organismus genau dasselbe Schloss enthält.

Mit mehr wissenschaftlichem Verständnis als je zuvor über die Zusammensetzung von Lebewesen und ihre komplexen biologischen Prozesse in einer beliebigen Umgebung können wir mithilfe von KI und maschinellem Lernen – dem Teilbereich der KI, der Algorithmen zur Mustererkennung in Daten verwendet – die komplexen Wechselwirkungen zwischen einer theoretisch unbegrenzten Anzahl von Organismen identifizieren und einzigartige Proteine oder „Schlösser“ viel schneller und genauer als je zuvor herausfiltern.

Profilgesteuerte Entdeckung – Den perfekten Schlüssel entwerfen

Bis vor Kurzem wurden Moleküle oder „Schlüssel“ aus unserer führenden Bibliothek mit 2,6 Millionen Verbindungen physisch gescreent und nach ihrem potenziellen Nutzen als Pflanzenschutzlösungen ausgewählt. Anschließend wurden sie getestet, um das gewünschte Profil zu gewährleisten.

Heute können unsere Wissenschaftler völlig neue und präzise „Schlüssel“ entwerfen. Durch virtuelles Screening können wir die Anzahl der analysierten Moleküle exponentiell erhöhen. Computergestützte prädiktive Modellierung und miniaturisierte Tests – frühe In-vitro-Tests an einzelnen Zellen – bestätigen dann, dass ein Molekül oder „Schlüssel“ nicht an andere Proteine oder „Schlösser“ in Nicht-Zielorganismen bindet oder „passt“. Mithilfe dieser prädiktiven Werkzeuge können Wissenschaftler auch andere Faktoren wie die Abbaubarkeit des Moleküls im Boden sicherstellen, wodurch die aktuellen Standards übertroffen und Umweltauswirkungen minimiert werden.

Diese datengesteuerten Technologien grenzen die Moleküle mit vielversprechender Wirksamkeit ein und eliminieren diejenigen, die die vordefinierten Standards und Kriterien nicht erfüllen – und zwar viel schneller und genauer als bisher vorstellbar. Wenn der perfekt entworfene Schlüssel zum einzigartigen Schloss passt, haben unsere Wissenschaftler einen neuen Wirkmechanismus gefunden.

Aber dieses neue Paradigma in Screening und Modellierung beschleunigt nicht nur die Entdeckung neuer, wirksamer und sicherer Wirkmechanismen, sondern es eröffnet auch völlig neue Horizonte dessen, was möglich ist; in der Vergangenheit war es mühsam, Tausende von Molekülen zu kuratieren, zu kaufen und zu testen. Heute ermöglicht uns die Analyse von Milliarden von Molekülen in einer virtuellen Umgebung mithilfe von KI die Erforschung neuer und viel größerer chemischer Räume als je zuvor.

Den Schlüssel produzieren – Digitale Chemie & KI-gesteuerte Synthese

Aber damit hört es nicht auf: Computergestützte Werkzeuge werden dann verwendet, um das Design von Molekülen zu optimieren und Syntheserouten zu finden, wobei KI Vorschläge macht, wie das Molekül am besten hergestellt werden kann oder – um bei der Analogie zu bleiben – wie der physische Schlüssel am besten produziert werden kann.  Dieser „beste Weg“ umfasst Faktoren wie zum Beispiel den ökologischen Fußabdruck oder die Synthesekosten.

CropKey zeigt, wie Bayer die Entwicklung wirksamer Pflanzenschutzlösungen grundlegend neu gestaltet. Der Ansatz liefert bereits konkrete Ergebnisse und erweitert unsere Pipeline.

Wir haben jetzt mehr als 30 potenzielle neue molekulare Ziele in der Entdeckung untersucht und mehr als 10 Ziele als neue Wirkungsweisen in der frühen Forschung validiert, die alle aus diesem bahnbrechenden Innovationsansatz hervorgehen. Wir haben außerdem zwei völlig neue Wirkungsweisen angekündigt, die mithilfe des CropKey-Ansatzes (weiter)entwickelt wurden und in Rekordzeit von der Konzeption zur Umsetzung gebracht werden; ein einzigartiges Breitband-Fungizid für den Einsatz in Obst und Gemüse sowie ein neues Herbizidmolekül für die breitflächige Nachauflauf-Unkrautbekämpfung sollen in den nächsten zehn Jahren auf den Markt kommen.

Mit CropKey entwickelte Lösungen bieten enormes Potenzial, werden jedoch noch leistungsfähiger, wenn sie mit einer Vielzahl von Werkzeugen kombiniert werden. Sie wurden entwickelt, um zusammen mit Bayers fortschrittlichen Saatgut- und Trait-Technologien sowie biologischen Produkten als Teil integrierter Schädlingsbekämpfungsstrategien und basierend auf datengestützten Felderkenntnissen und Präzisionstechnologien angewendet zu werden. So sollen die spezifischen Bedürfnisse und Umstände jedes Landwirts berücksichtigt werden.

Pflanzenschutz ist auch ein wesentlicher Bestandteil von landwirtschaftlichen Systemen, die auf unterschiedlichen Praktiken basieren, wie beispielsweise der Verwendung von nicht- oder reduzierter Bodenbearbeitung oder Zwischenfrüchten, um die aus der Atmosphäre sequestrierte Kohlenstoffmenge zu maximieren, die natürliche Fähigkeit des Bodens zur Speicherung dieses Kohlenstoffs, von Nährstoffen und Wasser zu erhöhen und die Leistung der Pflanzen zu verbessern.

So kann dieser System- und maßgeschneiderte Lösungsansatz die Produktivität der Landwirt*innen steigern. Und da unsere KI-Werkzeuge für neue Pflanzenschutzlösungen zusammen mit uns lernen, wird jede neue Generation von Lösungen intelligenter sein als die vorherige, und den Landwirt*innen neue Schlüssel bieten, um ihre Pflanzen erfolgreich und nachhaltig anzubauen.