Viren haben die unheimliche Fähigkeit, sich schnell weiterzuentwickeln. Covid-19 ist ein krasses Beispiel. Als das Virus von Beta zu Delta zu Omicron mutierte, zog sich die Pandemie hin und die Welt schloss. Wissenschaftler bemühten sich, Impfstoffe und Behandlungen an neue Varianten anzupassen. Das Virus hatte die Oberhand; wir spielten Aufholjagd.

Eine KI Das von der Harvard University entwickelte Programm könnte das Blatt wenden, indem es uns ermöglicht, neue Varianten vorherzusagen, bevor sie auftauchen. Die KI mit dem Namen EVEscape ist eine Art maschinelles „Orakel“ für die virale Evolution.

Schulung anhand der gesammelten Daten Bevor Während der Pandemie war der Algorithmus in der Lage, häufige Mutationen und besorgniserregende Varianten von Covid-19 vorherzusagen und erstellte auch eine Liste zukünftiger besorgniserregender Varianten. Das Herzstück des Tools ist ein generatives KI-Modell, wie es auch die zugrundeliegenden Modelle sind DALL-E or ChatGPT, aber es umfasst mehrere sorgfältig ausgewählte biologische Faktoren, um virale Mutationen besser widerzuspiegeln.

Das Tool wurde nicht nur für Covid-19 entwickelt: Es sagt auch genau Varianten für Grippeviren, HIV und zwei noch wenig erforschte Viren voraus, die künftige Pandemien auslösen könnten.

„Wir wollen wissen, ob wir die Variation der Viren vorhersehen und neue Varianten vorhersagen können.“ sagte Dr. Debora Marks, die die Studie am Blavatnik Institute der Harvard Medical School leitete. „Denn wenn wir können, wird das für die Entwicklung von Impfstoffen und Therapien äußerst wichtig sein.“

Es gab starke Bestrebungen, KI zur Vorhersage viraler Mutationen in den akuten Phasen der Pandemie einzusetzen. Obwohl sie nützlich waren, stützten sich die meisten Modelle auf Informationen über bestehende Varianten und konnten nur kurzfristige Vorhersagen erstellen.

Im Gegensatz dazu nutzt EVEscape die evolutionäre Genomik, um einen Blick auf die Abstammung eines Virus zu werfen, was zu längeren Prognosen und möglicherweise zu genügend Zeit führt, um im Voraus zu planen und sich zu wehren.

„Wir wollen herausfinden, wie wir tatsächlich Impfstoffe und Therapien entwickeln können, die zukunftssicher sind“, sagte Studienautor Dr. Noor Youssef.

Entwickelt, um sich weiterzuentwickeln

Obwohl Viren äußerst anpassungsfähig an den Druck der natürlichen Selektion sind, entwickeln sie sich dennoch wie andere Lebewesen. Ihr genetisches Material mutiert zufällig. Einige Mutationen verringern ihre Fähigkeit, Wirte zu infizieren. Andere töten ihre Wirte, bevor sie sich vermehren können. Aber manchmal stoßen Viren auf eine Goldlöckchen-Variante, die den Wirt so gesund hält, dass sich der Käfer wie ein Lauffeuer vermehren und verbreiten kann. Während diese Varianten für das Überleben von Viren von großer Bedeutung sind, lösen sie globale Katastrophen für die Menschheit aus, wie im Fall von Covid-19.

Wissenschaftler versuchen seit langem, Virusmutationen und ihre Auswirkungen vorherzusagen. Leider ist es unmöglich, alle möglichen Mutationen vorherzusagen. Ein typisches Coronavirus hat etwa 30,000 genetische Buchstaben. Die Zahl der möglichen Varianten ist größer als alle Elementarteilchen– also Elektronen, Quarks und andere fundamentale Teilchen –im Universum.

Die neue Studie konzentrierte sich auf eine praktischere Lösung. Vergessen Sie die Zuordnung jeder Variante. Können wir mit begrenzten Daten zumindest die gefährlichen Ereignisse vorhersagen?

Lass uns Bösewicht spielen

Das Team wandte sich an EVE, eine KI, die zuvor entwickelt wurde, um krankheitsverursachende genetische Varianten beim Menschen aufzuspüren. Das Herzstück des Algorithmus ist ein tiefgreifendes generatives Modell, das die Proteinfunktion vorhersagen kann, ohne sich ausschließlich auf menschliches Fachwissen zu verlassen.

Die KI hat aus der Evolution gelernt. So wie Archäologen Skelette von Hominin-Cousins ​​vergleichen, um einen Blick in die Vergangenheit zu werfen, untersuchte die KI DNA-Sequenzen, die für Proteine ​​verschiedener Arten kodieren. Die Strategie entdeckten genetische Varianten beim Menschen, die für die Gesundheit von entscheidender Bedeutung sind – beispielsweise solche, die an Krebs oder Herzproblemen beteiligt sind.

„Sie können diese generativen Modelle verwenden, um erstaunliche Dinge aus evolutionären Informationen zu lernen – die Daten enthalten verborgene Geheimnisse, die Sie enthüllen können.“ sagte Marks.

Die neue Studie trainierte EVE neu, um genetische Varianten in Viren vorherzusagen. Als ersten Proof of Concept nutzten sie SARS-CoV-2, das Virus hinter Covid-19.

Der Schlüssel lag darin, die biologischen Bedürfnisse des Virus in den Datensatz der KI zu integrieren.

Der Hauptantrieb eines Virus ist das Überleben. Sie mutieren schnell, was manchmal zu genetischen Veränderungen führt, die Impfstoffe oder Antikörperbehandlungen umgehen können. Dieselbe Mutation kann jedoch die Fähigkeit eines Virus beeinträchtigen, seinen Wirt zu erfassen und sich zu vermehren – ein offensichtlicher Nachteil.

Um solche Mutationen auszuschließen, verglich die KI Proteinsequenzen einer breiten Palette von Coronaviren, die vor der Pandemie entdeckt wurden – zum Beispiel das ursprüngliche SARS-Virus und das „Erkältungsvirus“. Dieser Vergleich ergab, welche Teile des viralen Genoms konserviert sind. Diese genetischen Verwalter sind für das Überleben des Virus von grundlegender Bedeutung. Da andere Coronaviren und SARS-CoV-2 eine gemeinsame genetische Abstammung haben, führen Mutationen in diesen Genen wahrscheinlich eher zum Tod als zu lebensfähigen Varianten.

Im Gegensatz dazu sagte die KI voraus, dass Spike-Proteine ​​die flexible Komponente des Virus seien, die sich am wahrscheinlichsten entwickeln werde. Diese entlang der Virusoberfläche verteilten Proteine ​​sind bereits Ziele für Impfstoffe und Antikörpertherapien. Veränderungen an diesen Proteinen könnten die Wirksamkeit aktueller Therapien verringern.

Zurück in die Zukunft

Bei der Analyse einer Pandemie ist der Rückblick 20/20. Um die nächste Pandemie im Keim zu ersticken, ist es jedoch unerlässlich, einen Blick auf das zu werfen, was kommen könnte, anstatt zu versuchen, aufzuholen.

Um die Vorhersagekraft der KI zu testen, hat das Team ihre Vorhersagen mit der GISAID-Datenbank (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) abgeglichen, um deren Genauigkeit zu messen. Trotz ihres Namens enthält die Datenbank 750,000 einzigartige Sequenzen genetischer Sequenzen des Coronavirus.

EVEscape identifizierte Varianten, die sich am wahrscheinlichsten ausbreiten – wie zum Beispiel Delta und Omicron –, wobei 50 Prozent seiner Top-Prognosen im Mai 2023 während der Pandemie auftraten. Im Vergleich zu a vorheriges maschinelles Lernen Mit dieser Methode konnte EVEscape Mutationen doppelt so gut vorhersagen und vorhersagen, welche Varianten Antikörperbehandlungen am wahrscheinlichsten entkommen würden.

Sich an die Vergangenheit erinnern

Die Superkraft von EVEscape besteht darin, dass es mit anderen Viren verwendet werden kann. Covid hat in den letzten drei Jahren unsere Aufmerksamkeit dominiert. Aber weniger bekannte Viren lauern im Stillen. Lassa- und Nipah-Viren beispielsweise treten sporadisch in westafrikanischen und südwestasiatischen Ländern auf und haben pandemisches Potenzial. Die Viren können mit Antikörpern behandelt werden, sie mutieren jedoch schnell.

Mithilfe von EVEscape hat das Team Escape-Mutationen in diesen Viren vorhergesagt, einschließlich solcher, von denen bereits bekannt ist, dass sie Antikörpern entgehen.

Die Arbeit kombiniert evolutionäre Genetik und KI und zeigt, dass „der Schlüssel zum zukünftigen Erfolg in der Erinnerung an die Vergangenheit liegt“. sagte Dr. Nash D. Rochman und Eugene V. Koonin vom National Center for Biotechnology Information und der National Library of Medicine in Maryland, die nicht an der Studie beteiligt waren.

EVEscape ist in der Lage, zukünftige Virusvarianten vorherzusagen – sogar solche, die noch unbekannt sind. Es könnte das Risiko einer Pandemie abschätzen und uns möglicherweise beim nächsten Ausbruch einen Schritt voraus sein.

Das Team nutzt das Tool nun, um die nächste SARS-CoV-2-Variante vorherzusagen. Sie verfolgen Mutationen alle zwei Wochen und Bewerten Sie das Potenzial jeder Variante für das Auslösen einer weiteren Covid-Welle. Die Daten werden mit der Weltgesundheitsorganisation und der Weltgesundheitsorganisation geteilt Code ist offen verfügbar.

Für Rochman und Koonin könnte das neue KI-Toolkit dabei helfen, die nächste Pandemie zu vereiteln. Wir können nun hoffen, dass „COVID-19 für immer als die zerstörerischste Pandemie in der Geschichte der Menschheit bekannt bleiben wird“, schrieben sie.

Bildquelle: Ein SARS-CoV2-Viruspartikel / Nationales Institut für Allergien und Infektionskrankheiten, NIH

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://singularityhub.com/2023/11/13/how-generative-ai-could-help-us-predict-the-next-pandemic/