Πώς το Generative AI θα μπορούσε να μας βοηθήσει να προβλέψουμε την επόμενη πανδημία

Οι ιοί έχουν μια ασυνήθιστη ικανότητα να εξελίσσονται γρήγορα. Ο Covid-19 είναι ένα έντονο παράδειγμα. Καθώς ο ιός μεταλλάχθηκε από βήτα σε δέλτα σε όμικρον, η πανδημία παρέμεινε και ο κόσμος έκλεισε. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να προσαρμόσουν τα εμβόλια και τις θεραπείες σε νέες παραλλαγές. Ο ιός είχε το πάνω χέρι. παίζαμε catch-up.

Μια τεχνητή νοημοσύνη που αναπτύχθηκε από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ θα μπορούσε να αλλάξει το ρεύμα επιτρέποντάς μας να προβλέψουμε νέες παραλλαγές πριν φτάσουν. Ονομάζεται EVEscape, η τεχνητή νοημοσύνη είναι ένα είδος μηχανικού «μαντείου» για την εξέλιξη του ιού.

Εκπαιδεύτηκε σε δεδομένα που συλλέγονται πριν την πανδημία, ο αλγόριθμος ήταν σε θέση να προβλέψει συχνές μεταλλάξεις και ανησυχητικές παραλλαγές για τον Covid-19 και δημιούργησε μια λίστα μελλοντικών παραλλαγών. Η καρδιά του εργαλείου είναι ένα παραγωγικό μοντέλο AI, όπως αυτά που τροφοδοτούν DALL-E or ChatGPT, αλλά περιλαμβάνει αρκετούς προσεκτικά επιλεγμένους βιολογικούς παράγοντες για να αντικατοπτρίζουν καλύτερα τις ιικές μεταλλάξεις.

Το εργαλείο δεν κατασκευάστηκε μόνο για τον Covid-19: Προβλέπει επίσης με ακρίβεια παραλλαγές για τους ιούς της γρίπης, τον HIV και δύο ιούς που δεν έχουν μελετηθεί καθόλου που θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν μελλοντικές πανδημίες.

«Θέλουμε να μάθουμε αν μπορούμε να προβλέψουμε τη διακύμανση των ιών και να προβλέψουμε νέες παραλλαγές», είπε Η Δρ Debora Marks, η οποία ηγήθηκε της μελέτης στο Ινστιτούτο Blavatnik της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ. «Επειδή, αν μπορούμε, αυτό θα είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον σχεδιασμό εμβολίων και θεραπειών».

Υπήρξε μια ισχυρή ώθηση για χρήση της τεχνητής νοημοσύνης για την πρόβλεψη ιικών μεταλλάξεων κατά τις οξείες φάσεις της πανδημίας. Αν και ήταν χρήσιμα, τα περισσότερα μοντέλα βασίστηκαν σε πληροφορίες σχετικά με υπάρχουσες παραλλαγές και μπορούσαν να παράγουν μόνο βραχυπρόθεσμες προβλέψεις.

Το EVEscape, αντίθετα, χρησιμοποιεί εξελικτική γονιδιωματική για να κρυφοκοιτάξει την καταγωγή ενός ιού, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες προβλέψεις και, ενδεχομένως, αρκετό χρόνο για να προγραμματίσετε μπροστά και να αντεπιτεθείτε.

«Θέλουμε να καταλάβουμε πώς μπορούμε πραγματικά να σχεδιάσουμε εμβόλια και θεραπείες που είναι ασφαλείς για το μέλλον», δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Δρ. Noor Youssef.

Evolved to Evolve

Αν και οι ιοί είναι εξαιρετικά προσαρμόσιμοι στις πιέσεις της φυσικής επιλογής, εξακολουθούν να εξελίσσονται όπως και άλλα ζωντανά πλάσματα. Το γενετικό τους υλικό μεταλλάσσεται τυχαία. Ορισμένες μεταλλάξεις μειώνουν την ικανότητά τους να μολύνουν τους ξενιστές. Άλλοι σκοτώνουν τους οικοδεσπότες τους πριν προλάβουν να πολλαπλασιαστούν. Αλλά μερικές φορές, οι ιοί πέφτουν πάνω σε μια παραλλαγή Goldilocks, μια παραλλαγή που διατηρεί τον οικοδεσπότη αρκετά υγιή ώστε το σφάλμα να αναπαραχθεί και να εξαπλωθεί σαν πυρκαγιά. Αν και είναι εξαιρετικές για την επιβίωση των ιών, αυτές οι παραλλαγές πυροδοτούν παγκόσμιες καταστροφές για την ανθρωπότητα, όπως στην περίπτωση του Covid-19.

Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και καιρό να προβλέψουν τις μεταλλάξεις των ιών και τις επιπτώσεις τους. Δυστυχώς, είναι αδύνατο να προβλεφθούν όλες οι πιθανές μεταλλάξεις. Ένας τυπικός κορονοϊός έχει περίπου 30,000 γενετικά γράμματα. Ο αριθμός των πιθανών παραλλαγών είναι μεγαλύτερος από όλους στοιχειώδη σωματίδια—δηλαδή, ηλεκτρόνια, κουάρκ και άλλα θεμελιώδη σωματίδια—στο σύμπαν.

Η νέα μελέτη έκανε μεγέθυνση σε μια πιο πρακτική λύση. Ξεχάστε την αντιστοίχιση κάθε παραλλαγής. Με περιορισμένα δεδομένα μπορούμε τουλάχιστον να προβλέψουμε τα επικίνδυνα;

Ας παίξουμε τον κακοποιό

Η ομάδα στράφηκε προς ΠΑΡΑΜΟΝΗ, ένα AI που αναπτύχθηκε προηγουμένως για να κυνηγήσει γενετικές παραλλαγές που προκαλούν ασθένειες στους ανθρώπους. Στον πυρήνα του αλγορίθμου βρίσκεται ένα βαθύ παραγωγικό μοντέλο που μπορεί να προβλέψει τη λειτουργία της πρωτεΐνης χωρίς να βασίζεται αποκλειστικά στην ανθρώπινη τεχνογνωσία.

Το AI έμαθε από την εξέλιξη. Όπως οι αρχαιολόγοι που συγκρίνουν σκελετούς από ξαδέρφια ανθρωποειδών για να κρυφοκοιτάξουν στο παρελθόν, η τεχνητή νοημοσύνη εξέτασε αλληλουχίες DNA που κωδικοποιούν πρωτεΐνες μεταξύ των ειδών. Η στρατηγική ανακάλυψαν γενετικές παραλλαγές σε ανθρώπους κρίσιμες για την υγεία - για παράδειγμα, αυτές που εμπλέκονται σε καρκίνο ή καρδιακά προβλήματα.

"Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτά τα μοντέλα παραγωγής για να μάθετε εκπληκτικά πράγματα από εξελικτικές πληροφορίες - τα δεδομένα έχουν κρυμμένα μυστικά που μπορείτε να αποκαλύψετε." είπε Σημάδια.

Η νέα μελέτη επανεκπαίδευσε την EVE να προβλέπει γενετικές παραλλαγές στους ιούς. Χρησιμοποίησαν τον SARS-CoV-2, τον ιό πίσω από τον Covid-19, ως πρώτη απόδειξη της ιδέας.

Το κλειδί ήταν η ενσωμάτωση των βιολογικών αναγκών του ιού στο σύνολο δεδομένων του AI.

Ο πυρήνας ενός ιού είναι η επιβίωση. Μεταλλάσσονται γρήγορα, γεγονός που μερικές φορές οδηγεί σε γενετικές αλλαγές που μπορούν να αποφύγουν τα εμβόλια ή τις θεραπείες με αντισώματα. Ωστόσο, η ίδια μετάλλαξη μπορεί να βλάψει την ικανότητα ενός ιού να πιάσει τον ξενιστή του και να αναπαραχθεί - ένα προφανές μειονέκτημα.

Για να αποκλείσει αυτά τα είδη μεταλλάξεων, η τεχνητή νοημοσύνη συνέκρινε αλληλουχίες πρωτεϊνών από ένα ευρύ φάσμα κορωνοϊών που ανακαλύφθηκαν πριν από την πανδημία - τον αρχικό ιό SARS, για παράδειγμα, και τον ιό του «κοινού κρυολογήματος». Αυτή η σύγκριση αποκάλυψε ποια μέρη του ιικού γονιδιώματος διατηρούνται. Αυτοί οι γενετικοί διαχειριστές είναι θεμελιώδεις για την επιβίωση του ιού. Επειδή άλλοι κοροναϊοί και ο SARS-CoV-2 μοιράζονται μια κοινή γενετική καταγωγή, οι μεταλλάξεις σε αυτά τα γονίδια πιθανότατα οδηγούν σε θάνατο και όχι βιώσιμες παραλλαγές.

Αντίθετα, η τεχνητή νοημοσύνη προέβλεψε ότι οι πρωτεΐνες ακίδας θα ήταν το εύκαμπτο συστατικό του ιού που είναι πιο πιθανό να εξελιχθεί. Διακεκομμένες κατά μήκος της επιφάνειας του ιού, αυτές οι πρωτεΐνες είναι ήδη στόχοι για εμβόλια και θεραπείες με αντισώματα. Οι αλλαγές σε αυτές τις πρωτεΐνες θα μπορούσαν να μειώσουν την αποτελεσματικότητα των τρεχουσών θεραπειών.

Επιστροφή στο Μέλλον

Η αντίληψη είναι 20/20 όταν αναλύεται μια πανδημία. Αλλά το να ρίξουμε μια ματιά στο τι μπορεί να έρθει - αντί να προσπαθούμε να ανταποκριθούμε - είναι ουσιαστικό εάν θέλουμε να καταπολεμήσουμε την επόμενη πανδημία στην αρχή.

Για να δοκιμάσει τις προγνωστικές δυνάμεις του AI, η ομάδα συνέταξε τις προβλέψεις της με τη βάση δεδομένων GISAID (Παγκόσμια Πρωτοβουλία για την Κοινή χρήση όλων των Δεδομένων Γρίπης) για να μετρήσει την ακρίβειά τους. Παρά το όνομά της, η βάση δεδομένων περιέχει 750,000 μοναδικές αλληλουχίες γενετικών αλληλουχιών κορωνοϊού.

Το EVEscape εντόπισε παραλλαγές που είναι πιο πιθανό να εξαπλωθούν—όπως το δέλτα και το όμικρον, για παράδειγμα— με το 50 τοις εκατό των κορυφαίων προβλέψεών του να εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της πανδημίας από τον Μάιο του 2023. Όταν έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενη μηχανική μάθηση μέθοδος, το EVEscape ήταν δύο φορές πιο καλό στην πρόβλεψη μεταλλάξεων και στην πρόβλεψη ποιες παραλλαγές ήταν πιο πιθανό να ξεφύγουν από θεραπείες με αντισώματα.

Ανάμνηση του παρελθόντος

Η υπερδύναμη του EVEscape είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με άλλους ιούς. Ο Covid έχει κυριαρχήσει την προσοχή μας τα τελευταία τρία χρόνια. Αλλά λιγότερο γνωστοί ιοί κρύβονται στη σιωπή. Οι ιοί Lassa και Nipah, για παράδειγμα, ξεσπούν σποραδικά σε χώρες της Δυτικής Αφρικής και της Νοτιοδυτικής Ασίας και έχουν δυναμικό πανδημίας. Οι ιοί μπορούν να αντιμετωπιστούν με αντισώματα, αλλά μεταλλάσσονται γρήγορα.

Χρησιμοποιώντας το EVEscape, η ομάδα προέβλεψε μεταλλάξεις διαφυγής σε αυτούς τους ιούς, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι ήδη γνωστό ότι αποφεύγουν τα αντισώματα.

Συνδυάζοντας την εξελικτική γενετική και την τεχνητή νοημοσύνη, η εργασία δείχνει ότι «το κλειδί για τη μελλοντική επιτυχία βασίζεται στην ανάμνηση του παρελθόντος». είπε Οι Δρ. Nash D. Rochman και Eugene V. Koonin στο Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών Βιοτεχνολογίας και Εθνική Βιβλιοθήκη Ιατρικής στο Μέριλαντ, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη μελέτη.

Το EVEscape έχει τη δύναμη να προβλέπει μελλοντικές παραλλαγές ιών—ακόμη και άγνωστες. Θα μπορούσε να εκτιμήσει τον κίνδυνο μιας πανδημίας, δυνητικά κρατώντας μας ένα βήμα μπροστά από το επόμενο ξέσπασμα.

Η ομάδα χρησιμοποιεί τώρα το εργαλείο για να προβλέψει την επόμενη παραλλαγή SARS-CoV-2. Παρακολουθούν τις μεταλλάξεις κάθε δύο εβδομάδες και ταξινομήστε τις δυνατότητες κάθε παραλλαγής για την πυροδότηση ενός άλλου κύματος Covid. Τα δεδομένα κοινοποιούνται στον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας και τον ο κωδικός είναι ανοιχτά διαθέσιμος.

Για τους Rochman και Koonin, η νέα εργαλειοθήκη AI θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποτροπή της επόμενης πανδημίας. Μπορούμε τώρα να ελπίζουμε ότι «ο COVID-19 θα παραμείνει για πάντα γνωστός ως η πιο ανατρεπτική πανδημία στην ανθρώπινη ιστορία», έγραψαν.

Πίστωση εικόνας: Σωματίδιο ιού SARS-CoV2 / Εθνικό Ινστιτούτο Αλλεργίας και Λοιμωδών Νοσημάτων, NIH

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/11/13/how-generative-ai-could-help-us-predict-the-next-pandemic/