Virussen hebben het griezelige vermogen om snel te evolueren. Covid-19 is een schril voorbeeld. Terwijl het virus muteerde van bèta naar delta naar omicron, sleepte de pandemie zich voort en viel de wereld stil. Wetenschappers haastten zich om vaccins en behandelingen aan te passen aan nieuwe varianten. Het virus had de overhand; we speelden een inhaalslag.

een AI ontwikkeld door Harvard University zou het tij kunnen keren door ons in staat te stellen nieuwe varianten te voorspellen voordat ze arriveren. De AI heet EVEscape en is een soort machine-‘orakel’ voor virale evolutie.

Getraind op verzamelde gegevens vaardigheden Na de pandemie kon het algoritme frequente mutaties en verontrustende varianten voor Covid-19 voorspellen en ook een lijst met toekomstige varianten genereren. Het hart van de tool is een generatief AI-model, zoals de modellen die dit aandrijven DALL-E or ChatGPT, maar het omvat verschillende zorgvuldig geselecteerde biologische factoren om virale mutaties beter weer te geven.

De tool is niet alleen voor Covid-19 gebouwd: het voorspelt ook nauwkeurig varianten van griepvirussen, HIV en twee onderbelichte virussen die toekomstige pandemieën zouden kunnen veroorzaken.

“We willen weten of we kunnen anticiperen op de variatie in virussen en nieuwe varianten kunnen voorspellen”, zei Dr. Debora Marks, die de studie leidde aan het Blavatnik Institute van de Harvard Medical School. “Want als we dat kunnen, zal dat van groot belang zijn voor het ontwerpen van vaccins en therapieën.”

Er was een sterke drang om AI te gebruiken om virale mutaties te voorspellen tijdens de acute fasen van de pandemie. Hoewel ze nuttig waren, vertrouwden de meeste modellen op informatie over bestaande varianten en konden ze alleen kortetermijnvoorspellingen doen.

EVEscape daarentegen maakt gebruik van evolutionaire genomica om in de voorouders van een virus te kijken, wat resulteert in langere voorspellingen en mogelijk genoeg tijd om vooruit te plannen en terug te vechten.

“We willen uitzoeken hoe we daadwerkelijk vaccins en therapieën kunnen ontwerpen die toekomstbestendig zijn”, zegt studieauteur Dr. Noor Youssef.

Geëvolueerd om te evolueren

Hoewel virussen zich uiterst goed kunnen aanpassen aan de druk van natuurlijke selectie, evolueren ze nog steeds net als andere levende wezens. Hun genetisch materiaal muteert willekeurig. Sommige mutaties verminderen hun vermogen om gastheren te infecteren. Anderen doden hun gastheren voordat ze zich kunnen vermenigvuldigen. Maar soms stuiten virussen op een Goudlokje-variant, een variant die de gastheer gezond genoeg houdt zodat de bug zich als een lopend vuurtje kan voortplanten en verspreiden. Hoewel ze geweldig zijn voor het voortbestaan ​​van virussen, veroorzaken deze varianten mondiale catastrofes voor de mensheid, zoals in het geval van Covid-19.

Wetenschappers hebben lang geprobeerd virale mutaties en hun effecten te voorspellen. Helaas is het onmogelijk om alle mogelijke mutaties te voorspellen. Een typisch coronavirus heeft ongeveer 30,000 genetische letters. Het aantal mogelijke varianten is groter dan alle elementaire deeltjes– dat wil zeggen elektronen, quarks en andere fundamentele deeltjes –in het heelal.

De nieuwe studie zoomde in op een meer praktische oplossing. Vergeet het in kaart brengen van elke variant. Kunnen we met beperkte gegevens op zijn minst de gevaarlijke voorspellen?

Laten we schurk spelen

Het team wendde zich tot EVE, een AI die eerder is ontwikkeld om ziekteverwekkende genetische varianten bij mensen op te sporen. De kern van het algoritme is een diepgaand generatief model dat de eiwitfunctie kan voorspellen zonder uitsluitend te vertrouwen op menselijke expertise.

De AI heeft geleerd van de evolutie. Net zoals archeologen skeletten van neefjes van mensachtigen vergelijken om in het verleden te kijken, screende de AI DNA-sequenties die coderen voor eiwitten van verschillende soorten. De strategie hebben genetische varianten bij mensen aan het licht gebracht die van cruciaal belang zijn voor de gezondheid, bijvoorbeeld varianten die betrokken zijn bij kanker of hartproblemen.

“Je kunt deze generatieve modellen gebruiken om verbazingwekkende dingen te leren uit evolutionaire informatie – de gegevens hebben verborgen geheimen die je kunt onthullen,” zei Marks.

De nieuwe studie heeft EVE omgeschoold om genetische varianten in virussen te voorspellen. Ze gebruikten SARS-CoV-2, het virus achter Covid-19, als eerste proof of concept.

De sleutel was het integreren van de biologische behoeften van het virus in de dataset van de AI.

De kerndrijfveer van een virus is overleven. Ze muteren snel, wat soms leidt tot genetische veranderingen die vaccins of antilichaambehandelingen kunnen omzeilen. Dezelfde mutatie kan echter het vermogen van een virus om zich vast te grijpen aan zijn gastheer en zich voort te planten beschadigen – een duidelijk nadeel.

Om dit soort mutaties uit te sluiten, vergeleek de AI eiwitsequenties van een breed scala aan coronavirussen die vóór de pandemie waren ontdekt – het oorspronkelijke SARS-virus bijvoorbeeld, en het ‘verkoudheidsvirus’. Uit deze vergelijking bleek welke delen van het virale genoom behouden zijn gebleven. Deze genetische beheerders zijn van fundamenteel belang voor de overleving van het virus. Omdat andere coronavirussen en SARS-CoV-2 een gemeenschappelijke genetische afkomst delen, resulteren mutaties in deze genen waarschijnlijk in de dood in plaats van in levensvatbare varianten.

Daarentegen voorspelde de AI dat piekeiwitten de flexibele component van het virus zouden zijn die zich waarschijnlijk zou ontwikkelen. Deze eiwitten, verspreid over het oppervlak van het virus, zijn al doelwitten voor vaccins en antilichaamtherapieën. Veranderingen in deze eiwitten zouden de werkzaamheid van de huidige therapieën kunnen verminderen.

Terug naar de toekomst

Achteraf gezien is het 20/20 bij het analyseren van een pandemie. Maar een glimp opvangen van wat er kan komen – in plaats van te proberen een inhaalslag te maken – is essentieel als we de volgende pandemie in de kiem willen smoren.

Om de voorspellende krachten van de AI te testen, koppelde het team zijn voorspellingen aan de GISAID-database (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) om de nauwkeurigheid ervan te meten. Ondanks de naam bevat de database 750,000 unieke sequenties van genetische sequenties van het coronavirus.

EVEscape identificeerde varianten die zich het meest waarschijnlijk zullen verspreiden – zoals delta en omicron bijvoorbeeld – waarbij 50 procent van de topvoorspellingen werd waargenomen tijdens de pandemie vanaf mei 2023. Wanneer het wordt vergeleken met een eerder machinaal leren methode was EVEscape twee keer zo goed in het voorspellen van mutaties en het voorspellen welke varianten het meest waarschijnlijk zouden ontsnappen uit antilichaambehandelingen.

Herinnering aan het verleden

De superkracht van EVscape is dat het met andere virussen kan worden gebruikt. Covid heeft onze aandacht de afgelopen drie jaar gedomineerd. Maar minder bekende virussen liggen in stilte op de loer. Lassa- en Nipah-virussen breken bijvoorbeeld sporadisch uit in West-Afrikaanse en Zuidwest-Aziatische landen en hebben een pandemisch potentieel. De virussen kunnen worden behandeld met antilichamen, maar muteren snel.

Met behulp van EVEscape voorspelde het team ontsnappingsmutaties in deze virussen, inclusief de virussen waarvan al bekend is dat ze antilichamen ontwijken.

Door evolutionaire genetica en AI te combineren, laat het werk zien dat “de sleutel tot toekomstig succes berust op het herinneren van het verleden.” zei Drs. Nash D. Rochman en Eugene V. Koonin van het National Center for Biotechnology Information en de National Library of Medicine in Maryland, die niet bij het onderzoek betrokken waren.

EVEscape heeft de kracht om toekomstige varianten van virussen te voorspellen, zelfs de varianten die nog onbekend zijn. Het zou het risico van een pandemie kunnen inschatten, waardoor we de volgende uitbraak mogelijk een stap voor kunnen blijven.

Het team gebruikt de tool nu om de volgende SARS-CoV-2-variant te voorspellen. Ze volgen mutaties tweewekelijks en rangschik het potentieel van elke variant voor het veroorzaken van een nieuwe Covid-golf. De gegevens worden gedeeld met de Wereldgezondheidsorganisatie en de code is openlijk beschikbaar.

Voor Rochman en Koonin zou de nieuwe AI-toolkit de volgende pandemie kunnen helpen dwarsbomen. We kunnen nu hopen dat “COVID-19 voor altijd bekend zal blijven als de meest ontwrichtende pandemie in de menselijke geschiedenis”, schreven ze.

Beeldcredits: een SARS-CoV2-virusdeeltje / Nationaal Instituut voor Allergie en Infectieziekten, NIH

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/11/13/how-generative-ai-could-help-us-predict-the-next-pandemic/