Hur generativ AI kan hjälpa oss att förutsäga nästa pandemi

Hur generativ AI kan hjälpa oss att förutsäga nästa pandemi

Tidsstämpel: 13 november 2023 3:34
Hur generativ AI kan hjälpa oss att förutsäga nästa pandemi PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Virus har en otrolig förmåga att snabbt utvecklas. Covid-19 är ett skarpt exempel. När viruset muterade från beta till delta till omicron drog pandemin ut på tiden och världen stängdes av. Forskare kämpade för att anpassa vacciner och behandlingar till nya varianter. Viruset hade övertaget; vi spelade ikapp.

En AI utvecklat av Harvard University skulle kunna vända utvecklingen genom att tillåta oss att förutsäga nya varianter innan de anländer. AI, som kallas EVEscape, är ett slags maskin-"orakel" för viral evolution.

Utbildad på insamlad data innan pandemin kunde algoritmen förutsäga frekventa mutationer och oroande varianter för Covid-19 och genererade också en lista över framtida varianter. Hjärtat i verktyget är en generativ AI-modell, som de som driver DALL-E or ChatGPT, men den inkluderar flera noggrant utvalda biologiska faktorer för att bättre återspegla virala mutationer.

Verktyget byggdes inte bara för Covid-19: Det förutsäger också exakt varianter av influensavirus, HIV och två understuderade virus som kan utlösa framtida pandemier.

"Vi vill veta om vi kan förutse variationen i virus och förutse nya varianter," sade Dr. Debora Marks, som ledde studien vid Blavatnik Institute vid Harvard Medical School. "För om vi kan, kommer det att vara extremt viktigt för att utforma vacciner och terapier."

Det fanns en stark push för att använda AI för att förutsäga virala mutationer under de akuta faserna av pandemin. Även om de var användbara, förlitade sig de flesta modeller på information om befintliga varianter och kunde bara producera kortsiktiga förutsägelser.

EVEscape, däremot, använder evolutionär genomik för att kika in i ett viruss härkomst, vilket resulterar i längre prognoser och, potentiellt, tillräckligt med tid för att planera framåt och slå tillbaka.

"Vi vill ta reda på hur vi faktiskt kan designa vacciner och terapier som är framtidssäkra", säger studieförfattaren Dr. Noor Youssef.

Evolved till Evolve

Även om virus är extremt anpassningsbara till trycket från naturligt urval, utvecklas de fortfarande som andra levande varelser. Deras genetiska material muterar slumpmässigt. Vissa mutationer minskar deras förmåga att infektera värdar. Andra dödar sina värdar innan de kan föröka sig. Men ibland snubblar virus över en Goldilocks-variant, en som håller värden frisk nog för att insekten ska kunna reproducera sig och spridas som en löpeld. Även om de är fantastiska för virusens överlevnad, utlöser dessa varianter globala katastrofer för mänskligheten, som i fallet med Covid-19.

Forskare har länge försökt förutsäga virala mutationer och deras effekter. Tyvärr är det omöjligt att förutsäga alla möjliga mutationer. Ett typiskt coronavirus har ungefär 30,000 XNUMX genetiska bokstäver. Antalet potentiella varianter är större än alla elementära partiklar– det vill säga elektroner, kvarkar och andra fundamentala partiklar –i universum.

Den nya studien zoomade in på en mer praktisk lösning. Glöm att kartlägga varje variant. Med begränsad data, kan vi åtminstone förutse de farliga?

Låt oss spela skurk

Teamet vände sig till EVA, en AI som tidigare utvecklats för att jaga sjukdomsframkallande genetiska varianter hos människor. I algoritmens kärna är en djup generativ modell som kan förutsäga proteinfunktion utan att enbart förlita sig på mänsklig expertis.

AI:n lärde sig av evolutionen. Liksom arkeologer som jämförde skelett från hominin-kusiner för att kika in i det förflutna, screenade AI DNA-sekvenser som kodar för proteiner över arter. Strategin dök upp genetiska varianter hos människor som är avgörande för hälsan – till exempel de som är inblandade i cancer eller hjärtproblem.

"Du kan använda dessa generativa modeller för att lära dig fantastiska saker från evolutionär information - data har dolda hemligheter som du kan avslöja," sade Märken.

Den nya studien omskolade EVE för att förutsäga genetiska varianter i virus. De använde SARS-CoV-2, viruset bakom Covid-19, som ett första bevis på konceptet.

Nyckeln var att integrera virusets biologiska behov i AI:s datauppsättning.

Ett viruss kärnenhet är överlevnad. De muterar snabbt, vilket ibland leder till genetiska förändringar som kan undvika vacciner eller antikroppsbehandlingar. Men samma mutation kan skada ett viruss förmåga att greppa sin värd och föröka sig - en uppenbar nackdel.

För att utesluta dessa typer av mutationer jämförde AI proteinsekvenser från ett brett spektrum av coronavirus som upptäcktes före pandemin - det ursprungliga SARS-viruset, till exempel, och "förkylningsviruset". Denna jämförelse avslöjade vilka delar av det virala genomet som är bevarat. Dessa genetiska förvaltare är grundläggande för virusets överlevnad. Eftersom andra coronavirus och SARS-CoV-2 delar en gemensam genetisk härkomst, resulterar mutationer i dessa gener sannolikt i död snarare än livskraftiga varianter.

Däremot förutspådde AI att spikeproteiner skulle vara den flexibla komponenten i viruset som mest sannolikt kommer att utvecklas. Prickade längs virusets yta är dessa proteiner redan måltavlor för vacciner och antikroppsterapier. Förändringar av dessa proteiner kan sänka effekten av nuvarande terapier.

Tillbaka till framtiden

Efterhand är 20/20 när man analyserar en pandemi. Men att ha en glimt av vad som kan komma – snarare än att försöka komma ikapp – är viktigt om vi ska kväva nästa pandemi.

För att testa AI:s prediktiva krafter matchade teamet sina förutsägelser till databasen GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) för att mäta deras noggrannhet. Trots sitt namn innehåller databasen 750,000 XNUMX unika sekvenser av genetiska sekvenser från coronavirus.

EVEscape identifierade varianter med största sannolikhet att sprida sig – som delta och omicron, till exempel – med 50 procent av dess bästa förutsägelser som sågs under pandemin i maj 2023. När de ställdes mot en tidigare maskininlärning metod var EVEscape dubbelt så bra på att förutsäga mutationer och förutsäga vilka varianter som mest sannolikt skulle fly från antikroppsbehandlingar.

Att minnas det förflutna

EVEscapes superkraft är att den kan användas med andra virus. Covid har dominerat vår uppmärksamhet de senaste tre åren. Men mindre kända virus lurar i tysthet. Lassa- och Nipah-virus bryter till exempel sporadiskt ut i västafrikanska och sydvästra asiatiska länder och har pandemipotential. Virusen kan behandlas med antikroppar, men de muterar snabbt.

Med hjälp av EVEscape förutspådde teamet flyktmutationer i dessa virus, inklusive de som redan är kända för att undvika antikroppar.

Genom att kombinera evolutionär genetik och AI visar arbetet att "nyckeln till framtida framgång bygger på att komma ihåg det förflutna." sade Drs. Nash D. Rochman och Eugene V. Koonin vid National Center for Biotechnology Information and National Library of Medicine i Maryland, som inte var inblandade i studien.

EVEscape har kraften att förutsäga framtida varianter av virus – även de som ännu är okända. Det kan uppskatta risken för en pandemi, vilket potentiellt kan hålla oss steget före nästa utbrott.

Teamet använder nu verktyget för att förutsäga nästa SARS-CoV-2-variant. De spårar mutationer varannan vecka och rangordna varje variants potential för att utlösa ytterligare en Covid-våg. Uppgifterna delas med Världshälsoorganisationen och koden är öppet tillgänglig.

För Rochman och Koonin kan den nya AI-verktygslådan hjälpa till att motverka nästa pandemi. Vi kan nu hoppas att "COVID-19 för alltid kommer att förbli känd som den mest störande pandemin i mänsklighetens historia", skrev de.

Bildkredit: En SARS-CoV2-viruspartikel / National Institute of Allergy and Infectious Diseases, NIH

Tidsstämpel:

Mer från Singularity Hub