Como a IA generativa pode nos ajudar a prever a próxima pandemia

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Os vírus têm uma capacidade incrível de evoluir rapidamente. A Covid-19 é um exemplo claro. À medida que o vírus sofreu mutação de beta para delta e para ômicron, a pandemia se arrastou e o mundo fechou. Os cientistas lutaram para adaptar vacinas e tratamentos às novas variantes. O vírus estava em vantagem; estávamos brincando de recuperação.

Uma IA desenvolvido pela Universidade de Harvard pode virar a maré, permitindo-nos prever novas variantes antes que elas cheguem. Chamada de EVEscape, a IA é uma espécie de “oráculo” de máquina para evolução viral.

Treinado em dados coletados antes Durante a pandemia, o algoritmo foi capaz de prever mutações frequentes e variantes preocupantes para a Covid-19 e também gerou uma lista de variantes futuras preocupantes. O coração da ferramenta é um modelo generativo de IA, como os que alimentam DALL-E or ChatGPT, mas inclui vários fatores biológicos cuidadosamente selecionados para melhor refletir as mutações virais.

A ferramenta não foi desenvolvida apenas para a Covid-19: ela também prevê com precisão variantes dos vírus da gripe, do HIV e de dois vírus pouco estudados que podem desencadear futuras pandemias.

“Queremos saber se podemos antecipar a variação dos vírus e prever novas variantes”, dito Dra. Debora Marks, que liderou o estudo no Instituto Blavatnik da Harvard Medical School. “Porque, se pudermos, isso será extremamente importante para a concepção de vacinas e terapias.”

Houve um forte impulso para usar a IA para prever mutações virais durante as fases agudas da pandemia. Embora úteis, a maioria dos modelos dependia de informações sobre as variantes existentes e só conseguia produzir previsões de curto prazo.

O EVEscape, por outro lado, utiliza a genómica evolutiva para espreitar a ascendência de um vírus, resultando em previsões mais longas e, potencialmente, em tempo suficiente para planear com antecedência e reagir.

“Queremos descobrir como podemos realmente conceber vacinas e terapias que sejam preparadas para o futuro”, disse o autor do estudo, Dr. Noor Youssef.

Evoluiu para evoluir

Embora os vírus sejam extremamente adaptáveis às pressões da seleção natural, eles ainda evoluem como outras criaturas vivas. Seu material genético sofre mutações aleatórias. Algumas mutações diminuem sua capacidade de infectar hospedeiros. Outros matam seus hospedeiros antes que possam se multiplicar. Mas às vezes, os vírus se deparam com uma variante Cachinhos Dourados, que mantém o hospedeiro saudável o suficiente para que o bug se reproduza e se espalhe como um incêndio. Embora sejam excelentes para a sobrevivência dos vírus, estas variantes provocam catástrofes globais para a humanidade, como no caso da Covid-19.

Os cientistas há muito procuram prever as mutações virais e os seus efeitos. Infelizmente, é impossível prever todas as mutações possíveis. Um coronavírus típico tem cerca de 30,000 letras genéticas. O número de variantes potenciais é maior do que todas as partículas elementares—isto é, elétrons, quarks e outras partículas fundamentais—no universo.

O novo estudo ampliou uma solução mais prática. Esqueça o mapeamento de cada variante. Com dados limitados, podemos pelo menos prever os perigosos?

Vamos brincar de vilão

A equipe recorreu EVE, uma IA desenvolvida anteriormente para caçar variantes genéticas causadoras de doenças em humanos. No centro do algoritmo está um modelo generativo profundo que pode prever a função das proteínas sem depender apenas da experiência humana.

A IA aprendeu com a evolução. Tal como os arqueólogos comparam esqueletos de primos hominídeos para espiar o passado, a IA rastreou sequências de ADN que codificam proteínas entre espécies. A estratégia descobriram variantes genéticas em seres humanos essenciais para a saúde – por exemplo, aquelas implicadas em cancro ou problemas cardíacos.

“Você pode usar esses modelos generativos para aprender coisas incríveis a partir de informações evolutivas – os dados contêm segredos ocultos que você pode revelar”, dito Marcas.

O novo estudo treinou novamente o EVE para prever variantes genéticas em vírus. Eles usaram o SARS-CoV-2, o vírus por trás da Covid-19, como primeira prova de conceito.

A chave foi integrar as necessidades biológicas do vírus no conjunto de dados da IA.

A principal motivação de um vírus é a sobrevivência. Eles sofrem mutações rapidamente, o que às vezes leva a alterações genéticas que podem evitar vacinas ou tratamentos com anticorpos. No entanto, a mesma mutação pode prejudicar a capacidade de um vírus se agarrar ao seu hospedeiro e se reproduzir – uma desvantagem óbvia.

Para descartar estes tipos de mutações, a IA comparou sequências de proteínas de uma ampla gama de coronavírus descobertos antes da pandemia – o vírus original da SARS, por exemplo, e o vírus do “resfriado comum”. Esta comparação revelou quais partes do genoma viral são conservadas. Esses administradores genéticos são fundamentais para a sobrevivência do vírus. Como outros coronavírus e o SARS-CoV-2 partilham uma ascendência genética comum, as mutações nestes genes provavelmente resultam em morte, em vez de variantes viáveis.

Por outro lado, a IA previu que as proteínas spike seriam o componente flexível do vírus com maior probabilidade de evoluir. Espalhadas ao longo da superfície do vírus, estas proteínas já são alvos de vacinas e terapias com anticorpos. Alterações nestas proteínas podem diminuir a eficácia das terapias atuais.

Volta para o Futuro

A retrospectiva é 20/20 ao analisar uma pandemia. Mas ter um vislumbre do que pode vir – em vez de tentar recuperar o atraso – é essencial se quisermos cortar a próxima pandemia pela raiz.

Para testar os poderes preditivos da IA, a equipa comparou as suas previsões com a base de dados GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) para avaliar a sua precisão. Apesar do nome, o banco de dados contém 750,000 sequências únicas de sequências genéticas do coronavírus.

EVEscape identificou variantes com maior probabilidade de se espalhar – como delta e omicron, por exemplo – com 50 por cento de suas principais previsões observadas durante a pandemia em maio de 2023. Quando confrontado com um aprendizado de máquina anterior Método, EVEscape foi duas vezes melhor em prever mutações e prever quais variantes tinham maior probabilidade de escapar dos tratamentos com anticorpos.

Relembrando o passado

O superpoder do EVEscape é que ele pode ser usado com outros vírus. A Covid dominou nossa atenção nos últimos três anos. Mas vírus menos conhecidos escondem-se em silêncio. Os vírus Lassa e Nipah, por exemplo, surgem esporadicamente nos países da África Ocidental e do Sudoeste Asiático e têm potencial pandémico. Os vírus podem ser tratados com anticorpos, mas sofrem mutações rapidamente.

Usando o EVEscape, a equipe previu mutações de escape nesses vírus, incluindo aqueles já conhecidos por escaparem dos anticorpos.

Combinando genética evolutiva e IA, o trabalho mostra que “a chave para o sucesso futuro depende da lembrança do passado”. dito Drs. Nash D. Rochman e Eugene V. Koonin do Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia e da Biblioteca Nacional de Medicina de Maryland, que não estiveram envolvidos no estudo.

EVEscape tem o poder de prever futuras variantes de vírus – mesmo aquelas ainda desconhecidas. Poderia estimar o risco de uma pandemia, mantendo-nos potencialmente um passo à frente do próximo surto.

A equipe está agora usando a ferramenta para prever a próxima variante do SARS-CoV-2. Eles rastreiam mutações quinzenalmente e classificar o potencial de cada variante por desencadear outra onda de Covid. Os dados são compartilhados com a Organização Mundial da Saúde e o o código está disponível abertamente.

Para Rochman e Koonin, o novo kit de ferramentas de IA poderia ajudar a impedir a próxima pandemia. Agora podemos esperar que “a COVID-19 permaneça para sempre conhecida como a pandemia mais perturbadora da história da humanidade”, escreveram.

Crédito da imagem: Uma partícula do vírus SARS-CoV2 / Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas, NIH