Les virus ont une étrange capacité à évoluer rapidement. Le Covid-19 en est un exemple frappant. Alors que le virus passait de bêta à delta puis à omicron, la pandémie s’éternisait et le monde s’arrêtait. Les scientifiques se sont efforcés d’adapter les vaccins et les traitements aux nouvelles variantes. Le virus avait le dessus ; nous jouions au rattrapage.

Une IA développé par l’Université Harvard pourrait inverser la tendance en nous permettant de prédire de nouvelles variantes avant leur arrivée. Baptisée EVEscape, l’IA est une sorte de machine « oracle » pour l’évolution virale.

Formé sur les données collectées before Pendant la pandémie, l’algorithme a été capable de prédire des mutations fréquentes et des variantes troublantes pour Covid-19 et a également généré une liste de futures variantes concernant. Le cœur de l’outil est un modèle d’IA génératif, comme ceux qui alimentent DALL-E or ChatGPT, mais il comprend plusieurs facteurs biologiques soigneusement sélectionnés pour mieux refléter les mutations virales.

L’outil n’a pas été conçu uniquement pour le Covid-19 : il prédit également avec précision les variantes des virus de la grippe, du VIH et de deux virus peu étudiés qui pourraient déclencher de futures pandémies.

« Nous voulons savoir si nous pouvons anticiper la variation des virus et prévoir de nouveaux variants » a affirmé Valérie Plante. Dr Debora Marks, qui a dirigé l'étude à l'Institut Blavatnik de la Harvard Medical School. « Parce que si nous y parvenons, cela sera extrêmement important pour la conception de vaccins et de thérapies. »

Il y a eu une forte pression pour utiliser l’IA pour prédire les mutations virales pendant les phases aiguës de la pandémie. Bien qu’utiles, la plupart des modèles reposaient sur des informations sur les variantes existantes et ne pouvaient produire que des prédictions à court terme.

EVEscape, en revanche, utilise la génomique évolutive pour jeter un coup d'œil sur l'ascendance d'un virus, ce qui permet d'obtenir des prévisions plus longues et, potentiellement, suffisamment de temps pour planifier à l'avance et riposter.

"Nous voulons comprendre comment nous pouvons réellement concevoir des vaccins et des thérapies à l'épreuve du temps", a déclaré le Dr Noor Youssef, auteur de l'étude.

Évolué pour évoluer

Bien que les virus soient extrêmement adaptables aux pressions de la sélection naturelle, ils évoluent néanmoins comme les autres créatures vivantes. Leur matériel génétique mute de manière aléatoire. Certaines mutations diminuent leur capacité à infecter les hôtes. D'autres tuent leurs hôtes avant de pouvoir se multiplier. Mais parfois, les virus tombent sur une variante Boucle d’or, qui maintient l’hôte suffisamment en bonne santé pour que le bug se reproduise et se propage comme une traînée de poudre. Bien qu’ils soient bénéfiques à la survie des virus, ces variants déclenchent des catastrophes mondiales pour l’humanité, comme dans le cas du Covid-19.

Les scientifiques cherchent depuis longtemps à prédire les mutations virales et leurs effets. Malheureusement, il est impossible de prédire toutes les mutations possibles. Un coronavirus typique possède environ 30,000 XNUMX lettres génétiques. Le nombre de variantes potentielles est supérieur à tous les particules élémentaires-c'est-à-dire les électrons, les quarks et autres particules fondamentales-dans l'univers.

La nouvelle étude s’est concentrée sur une solution plus pratique. Oubliez la cartographie de chaque variante. Avec des données limitées, pouvons-nous au moins prédire les plus dangereux ?

Jouons au méchant

L'équipe s'est tournée vers EVE, une IA précédemment développée pour traquer les variantes génétiques pathogènes chez l’homme. Au cœur de l'algorithme se trouve un modèle génératif profond capable de prédire la fonction des protéines sans s'appuyer uniquement sur l'expertise humaine.

L'IA a appris de l'évolution. Tout comme les archéologues comparant les squelettes de cousins ​​hominidés pour jeter un coup d’œil dans le passé, l’IA a examiné les séquences d’ADN codant pour des protéines de différentes espèces. La stratégie ont révélé chez les humains des variantes génétiques essentielles à la santé, par exemple celles impliquées dans le cancer ou les problèmes cardiaques.

"Vous pouvez utiliser ces modèles génératifs pour apprendre des choses étonnantes à partir d'informations évolutives : les données contiennent des secrets cachés que vous pouvez révéler." a affirmé Valérie Plante. Des notes.

La nouvelle étude a recyclé EVE pour prédire les variantes génétiques des virus. Ils ont utilisé le SRAS-CoV-2, le virus à l’origine du Covid-19, comme première preuve de concept.

La clé consistait à intégrer les besoins biologiques du virus dans l’ensemble de données de l’IA.

La survie est la principale motivation d’un virus. Ils mutent rapidement, ce qui entraîne parfois des modifications génétiques qui peuvent échapper aux vaccins ou aux traitements par anticorps. Cependant, la même mutation peut nuire à la capacité d'un virus à s'accrocher à son hôte et à se reproduire, ce qui constitue un inconvénient évident.

Pour exclure ce type de mutations, l’IA a comparé les séquences protéiques d’un large éventail de coronavirus découverts avant la pandémie – le virus original du SRAS, par exemple, et le virus du « rhume ». Cette comparaison a révélé quelles parties du génome viral sont conservées. Ces intendants génétiques sont essentiels à la survie du virus. Étant donné que les autres coronavirus et le SRAS-CoV-2 partagent une ascendance génétique commune, les mutations de ces gènes entraînent probablement la mort plutôt que des variantes viables.

En revanche, l’IA prédit que les protéines de pointe seraient la composante flexible du virus la plus susceptible d’évoluer. Réparties à la surface du virus, ces protéines sont déjà des cibles pour les vaccins et les thérapies par anticorps. Les modifications apportées à ces protéines pourraient réduire l’efficacité des thérapies actuelles.

Retour vers le futur

Le recul est de 20/20 lors de l’analyse d’une pandémie. Mais avoir un aperçu de ce qui pourrait arriver – plutôt que d’essayer de rattraper son retard – est essentiel si nous voulons étouffer la prochaine pandémie dans l’œuf.

Pour tester les pouvoirs prédictifs de l'IA, l'équipe a comparé ses prédictions à la base de données GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) pour évaluer leur exactitude. Malgré son nom, la base de données contient 750,000 XNUMX séquences uniques de séquences génétiques du coronavirus.

EVEscape a identifié les variantes les plus susceptibles de se propager, comme le delta et l'omicron, par exemple, avec 50 % de ses principales prédictions observées pendant la pandémie en mai 2023. apprentissage automatique précédent Avec cette méthode, EVEscape était deux fois plus efficace pour prédire les mutations et prévoir les variantes les plus susceptibles d’échapper aux traitements par anticorps.

Se souvenir du passé

Le super pouvoir d'EVEscape est qu'il peut être utilisé avec d'autres virus. Le Covid a dominé notre attention ces trois dernières années. Mais des virus moins connus se cachent en silence. Les virus Lassa et Nipah, par exemple, apparaissent sporadiquement dans les pays d’Afrique de l’Ouest et d’Asie du Sud-Ouest et présentent un potentiel pandémique. Les virus peuvent être traités avec des anticorps, mais ils subissent une mutation rapide.

Grâce à EVEscape, l’équipe a prédit des mutations d’évasion dans ces virus, y compris celles déjà connues pour échapper aux anticorps.

Combinant la génétique évolutionniste et l’IA, les travaux montrent que « la clé du succès futur repose sur la mémoire du passé ». a affirmé Valérie Plante. Drs. Nash D. Rochman et Eugene V. Koonin du National Center for Biotechnology Information et de la National Library of Medicine du Maryland, qui n'ont pas participé à l'étude.

EVEscape a le pouvoir de prédire les futures variantes de virus, même celles encore inconnues. Cela pourrait estimer le risque d’une pandémie, nous gardant potentiellement une longueur d’avance sur la prochaine épidémie.

L’équipe utilise désormais l’outil pour prédire la prochaine variante du SRAS-CoV-2. Ils suivent les mutations toutes les deux semaines et classer le potentiel de chaque variante pour avoir déclenché une autre vague de Covid. Les données sont partagées avec l'Organisation mondiale de la santé et le le code est librement disponible.

Pour Rochman et Koonin, la nouvelle boîte à outils de l’IA pourrait aider à contrecarrer la prochaine pandémie. Nous pouvons désormais espérer que « le COVID-19 restera à jamais connu comme la pandémie la plus perturbatrice de l’histoire de l’humanité », écrivent-ils.

Crédit image : Une particule du virus SARS-CoV2 / Institut national des allergies et des maladies infectieuses, NIH

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• La source: https://singularityhub.com/2023/11/13/how-generative-ai-could-help-us-predict-the-next-pandemic/