In che modo l’intelligenza artificiale generativa potrebbe aiutarci a prevedere la prossima pandemia

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I virus hanno una straordinaria capacità di evolversi rapidamente. Il Covid-19 è un chiaro esempio. Mentre il virus mutava da beta a delta a omicron, la pandemia si trascinava e il mondo si chiudeva. Gli scienziati si sono affrettati ad adattare vaccini e trattamenti a nuove varianti. Il virus ha avuto il sopravvento; stavamo giocando a recuperare.

un'intelligenza artificiale sviluppato dall’Università di Harvard potrebbe cambiare la situazione permettendoci di prevedere nuove varianti prima che arrivino. Chiamata EVEscape, l’intelligenza artificiale è una sorta di macchina “oracolo” per l’evoluzione virale.

Formatosi sui dati raccolti prima Durante la pandemia, l’algoritmo è stato in grado di prevedere mutazioni frequenti e varianti preoccupanti per Covid-19 e ha generato anche un elenco di varianti future relative. Il cuore dello strumento è un modello di intelligenza artificiale generativa, come quelli che alimentano DALL-E or ChatGPT, ma include diversi fattori biologici accuratamente selezionati per riflettere meglio le mutazioni virali.

Lo strumento non è stato creato solo per il Covid-19: prevede anche con precisione le varianti dei virus influenzali, dell’HIV e di due virus poco studiati che potrebbero scatenare future pandemie.

“Vogliamo sapere se possiamo anticipare la variazione dei virus e prevedere nuove varianti”, disse La dottoressa Debora Marks, che ha condotto lo studio presso il Blavatnik Institute della Harvard Medical School. “Perché se potessimo, sarebbe estremamente importante per la progettazione di vaccini e terapie”.

C’è stata una forte spinta verso l’utilizzo dell’intelligenza artificiale per prevedere le mutazioni virali durante le fasi acute della pandemia. Sebbene utili, la maggior parte dei modelli si basava su informazioni sulle varianti esistenti e poteva produrre solo previsioni a breve termine.

EVEscape, al contrario, utilizza la genomica evolutiva per sbirciare negli antenati di un virus, con il risultato di previsioni più lunghe e, potenzialmente, tempo sufficiente per pianificare in anticipo e reagire.

"Vogliamo capire come possiamo effettivamente progettare vaccini e terapie che siano a prova di futuro", ha affermato l'autore dello studio, il dottor Noor Youssef.

Evoluto per evolvere

Sebbene i virus siano estremamente adattabili alle pressioni della selezione naturale, si evolvono comunque come gli altri esseri viventi. Il loro materiale genetico muta casualmente. Alcune mutazioni riducono la loro capacità di infettare gli ospiti. Altri uccidono i loro ospiti prima che possano moltiplicarsi. Ma a volte i virus si imbattono in una variante Goldilocks, che mantiene l’ospite abbastanza sano da consentire al virus di riprodursi e diffondersi a macchia d’olio. Sebbene siano utili per la sopravvivenza dei virus, queste varianti scatenano catastrofi globali per l’umanità, come nel caso del Covid-19.

Gli scienziati hanno cercato a lungo di prevedere le mutazioni virali e i loro effetti. Sfortunatamente, è impossibile prevedere tutte le possibili mutazioni. Un tipico coronavirus ha circa 30,000 lettere genetiche. Il numero di potenziali varianti è maggiore di tutti i particelle elementari—cioè elettroni, quark e altre particelle fondamentali—nell'universo.

Il nuovo studio si è concentrato su una soluzione più pratica. Dimentica la mappatura di ogni variante. Con dati limitati, possiamo almeno prevedere quelli pericolosi?

Giochiamo a Cattivo

La squadra si è rivolta a EVE, un'intelligenza artificiale precedentemente sviluppata per dare la caccia alle varianti genetiche che causano malattie negli esseri umani. Al centro dell’algoritmo c’è un modello generativo profondo in grado di prevedere la funzione delle proteine senza fare affidamento esclusivamente sulla competenza umana.

L’intelligenza artificiale ha imparato dall’evoluzione. Come gli archeologi confrontano gli scheletri dei cugini ominidi per sbirciare nel passato, l’intelligenza artificiale ha esaminato le sequenze di DNA che codificano per le proteine di tutte le specie. La strategia hanno scoperto varianti genetiche negli esseri umani fondamentali per la salute, ad esempio quelle implicate nel cancro o nei problemi cardiaci.

“Puoi utilizzare questi modelli generativi per imparare cose straordinarie dalle informazioni evolutive: i dati nascondono segreti che puoi rivelare”, disse Marks.

Il nuovo studio ha riqualificato EVE per prevedere le varianti genetiche dei virus. Hanno usato SARS-CoV-2, il virus dietro Covid-19, come prima prova di concetto.

La chiave era integrare le esigenze biologiche del virus nel set di dati dell’IA.

L’obiettivo principale di un virus è la sopravvivenza. Mutano rapidamente, il che a volte porta a cambiamenti genetici che possono eludere i vaccini o i trattamenti con anticorpi. Tuttavia, la stessa mutazione può danneggiare la capacità di un virus di aggrapparsi al suo ospite e riprodursi, un ovvio svantaggio.

Per escludere questo tipo di mutazioni, l’intelligenza artificiale ha confrontato sequenze proteiche di un’ampia gamma di coronavirus scoperti prima della pandemia: il virus originale della SARS, ad esempio, e il virus del “comune raffreddore”. Questo confronto ha rivelato quali parti del genoma virale sono conservate. Questi amministratori genetici sono fondamentali per la sopravvivenza del virus. Poiché altri coronavirus e SARS-CoV-2 condividono un’ascendenza genetica comune, le mutazioni di questi geni probabilmente provocano la morte piuttosto che varianti vitali.

Al contrario, l’intelligenza artificiale ha previsto che le proteine spike siano la componente flessibile del virus con maggiori probabilità di evolversi. Punteggiate lungo la superficie del virus, queste proteine sono già bersagli per vaccini e terapie anticorpali. Le modifiche a queste proteine potrebbero ridurre l’efficacia delle terapie attuali.

Ritorno al futuro

Il senno di poi è 20/20 quando si analizza una pandemia. Ma avere un’idea di ciò che potrebbe accadere, piuttosto che cercare di recuperare, è essenziale se vogliamo stroncare sul nascere la prossima pandemia.

Per testare i poteri predittivi dell’intelligenza artificiale, il team ha confrontato le sue previsioni con il database GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) per valutarne l’accuratezza. Nonostante il nome, il database contiene 750,000 sequenze uniche di sequenze genetiche del coronavirus.

EVEscape ha identificato le varianti con maggiore probabilità di diffusione, come delta e omicron, ad esempio, con il 50% delle sue previsioni principali osservate durante la pandemia a maggio 2023. Quando confrontato con un precedente apprendimento automatico metodo, EVEscape è stato due volte più efficace nel prevedere le mutazioni e nel prevedere quali varianti avrebbero avuto maggiori probabilità di sfuggire ai trattamenti anticorpali.

Ricordando il passato

Il superpotere di EVEscape è che può essere utilizzato con altri virus. Il Covid ha dominato la nostra attenzione negli ultimi tre anni. Ma i virus meno conosciuti si nascondono in silenzio. I virus Lassa e Nipah, ad esempio, si manifestano sporadicamente nei paesi dell’Africa occidentale e dell’Asia sud-occidentale e hanno un potenziale pandemico. I virus possono essere trattati con anticorpi, ma mutano rapidamente.

Utilizzando EVEscape, il team ha previsto le mutazioni di fuga in questi virus, compresi quelli già noti per eludere gli anticorpi.

Combinando la genetica evolutiva e l’intelligenza artificiale, il lavoro dimostra che “la chiave del successo futuro risiede nel ricordare il passato”. disse Dott. Nash D. Rochman e Eugene V. Koonin del National Center for Biotechnology Information e National Library of Medicine nel Maryland, che non sono stati coinvolti nello studio.

EVEscape ha il potere di prevedere le future varianti dei virus, anche quelle ancora sconosciute. Potrebbe stimare il rischio di una pandemia, mantenendoci potenzialmente un passo avanti rispetto alla prossima epidemia.

Il team ora sta utilizzando lo strumento per prevedere la prossima variante SARS-CoV-2. Tracciano le mutazioni ogni due settimane e classificare il potenziale di ciascuna variante per aver innescato un’altra ondata di Covid. I dati sono condivisi con l'Organizzazione Mondiale della Sanità e l' il codice è apertamente disponibile.

Per Rochman e Koonin, il nuovo toolkit AI potrebbe aiutare a contrastare la prossima pandemia. Ora possiamo sperare che “COVID-19 rimarrà per sempre conosciuta come la pandemia più dirompente della storia umana”, hanno scritto.

Credito immagine: una particella del virus SARS-CoV2 / Istituto nazionale di allergie e malattie infettive, NIH