AI sáng tạo có thể giúp chúng ta dự đoán đại dịch tiếp theo như thế nào

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

AI sáng tạo có thể giúp chúng ta dự đoán thông tin dữ liệu PlatoBlockchain đại dịch tiếp theo như thế nào. Tìm kiếm dọc. Ái.

Virus có khả năng kỳ lạ là phát triển nhanh chóng. Covid-19 là một ví dụ rõ ràng. Khi virus biến đổi từ beta sang delta thành omicron, đại dịch kéo dài và thế giới ngừng hoạt động. Các nhà khoa học đang nỗ lực điều chỉnh vắc xin và phương pháp điều trị cho phù hợp với các biến thể mới. Virus chiếm thế thượng phong; chúng tôi đang chơi trò đuổi bắt.

AI do Đại học Harvard phát triển có thể xoay chuyển tình thế bằng cách cho phép chúng ta dự đoán các biến thể mới trước khi chúng xuất hiện. Được gọi là EVEscape, AI là một loại máy “nhà tiên tri” về sự tiến hóa của virus.

Được đào tạo về dữ liệu được thu thập trước Sau đại dịch, thuật toán có thể dự đoán các đột biến thường xuyên và các biến thể gây rắc rối cho Covid-19, đồng thời tạo ra danh sách các biến thể liên quan đến tương lai. Trọng tâm của công cụ này là một mô hình AI có tính tổng hợp, giống như mô hình cung cấp năng lượng cho DALL-E or ChatGPT, nhưng nó bao gồm một số yếu tố sinh học được lựa chọn cẩn thận để phản ánh tốt hơn các đột biến của virus.

Công cụ này không chỉ được thiết kế cho Covid-19: Nó còn dự đoán chính xác các biến thể của vi rút cúm, HIV và hai loại vi rút chưa được nghiên cứu kỹ có thể gây ra các đại dịch trong tương lai.

“Chúng tôi muốn biết liệu chúng tôi có thể dự đoán được sự biến đổi của virus và dự báo các biến thể mới hay không,” nói Tiến sĩ Debora Marks, người đứng đầu nghiên cứu tại Viện Blavatnik thuộc Trường Y Harvard. “Bởi vì nếu chúng ta có thể, điều đó sẽ cực kỳ quan trọng trong việc thiết kế vắc xin và phương pháp điều trị.”

Đã có sự thúc đẩy mạnh mẽ trong việc sử dụng AI để dự đoán các đột biến của virus trong giai đoạn cấp tính của đại dịch. Mặc dù hữu ích nhưng hầu hết các mô hình đều dựa vào thông tin về các biến thể hiện có và chỉ có thể đưa ra những dự đoán ngắn hạn.

Ngược lại, EVEscape sử dụng bộ gen tiến hóa để xem xét tổ tiên của vi rút, dẫn đến dự báo dài hơn và có thể có đủ thời gian để lên kế hoạch trước và chống trả.

Tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Noor Youssef cho biết: “Chúng tôi muốn tìm ra cách thực sự có thể thiết kế vắc xin và liệu pháp phù hợp với tương lai”.

Tiến hóa để phát triển

Mặc dù virus có khả năng thích nghi cực kỳ cao trước áp lực của chọn lọc tự nhiên nhưng chúng vẫn tiến hóa giống như các sinh vật sống khác. Vật liệu di truyền của họ đột biến ngẫu nhiên. Một số đột biến làm giảm khả năng lây nhiễm sang vật chủ. Những người khác giết vật chủ của họ trước khi họ có thể nhân lên. Nhưng đôi khi, virus tình cờ gặp một biến thể Goldilocks, một biến thể giúp vật chủ đủ khỏe mạnh để con bọ sinh sản và lây lan như cháy rừng. Mặc dù rất tốt cho sự sống sót của virus, nhưng những biến thể này lại gây ra thảm họa toàn cầu cho nhân loại, như trường hợp của Covid-19.

Các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách dự đoán các đột biến của virus và ảnh hưởng của chúng. Thật không may, không thể dự đoán được tất cả các đột biến có thể xảy ra. Một loại virus Corona điển hình có khoảng 30,000 ký tự di truyền. Số lượng các biến thể tiềm năng lớn hơn tất cả các biến thể Các hạt cơ bản—tức là các electron, quark và các hạt cơ bản khác—trong vũ trụ.

Nghiên cứu mới đã tập trung vào một giải pháp thực tế hơn. Hãy quên việc ánh xạ từng biến thể. Với dữ liệu hạn chế, ít nhất chúng ta có thể dự đoán được những điều nguy hiểm không?

Hãy chơi nhân vật phản diện

Đội đã quay sang EVE, một AI trước đây được phát triển để săn lùng các biến thể di truyền gây bệnh ở người. Cốt lõi của thuật toán là một mô hình tổng hợp sâu có thể dự đoán chức năng của protein mà không chỉ dựa vào chuyên môn của con người.

AI đã học được từ quá trình tiến hóa. Giống như các nhà khảo cổ học so sánh bộ xương của những người anh em họ vượn người để nhìn về quá khứ, AI sàng lọc các chuỗi DNA mã hóa protein giữa các loài. Chiến lược đã phát hiện ra các biến thể di truyền quan trọng đối với sức khỏe ở người, chẳng hạn như những biến thể liên quan đến bệnh ung thư hoặc các vấn đề về tim.

“Bạn có thể sử dụng những mô hình tổng quát này để tìm hiểu những điều tuyệt vời từ thông tin tiến hóa—dữ liệu có những bí mật ẩn giấu mà bạn có thể tiết lộ,” nói Điểm.

Nghiên cứu mới đã đào tạo lại EVE để dự đoán các biến thể di truyền liên quan đến virus. Họ đã sử dụng SARS-CoV-2, loại virus gây ra Covid-19, làm bằng chứng đầu tiên cho khái niệm này.

Điều quan trọng là việc tích hợp các nhu cầu sinh học của virus vào bộ dữ liệu của AI.

Động lực cốt lõi của virus là sự sống còn. Chúng biến đổi nhanh chóng, đôi khi dẫn đến những thay đổi về mặt di truyền có thể né tránh vắc-xin hoặc phương pháp điều trị bằng kháng thể. Tuy nhiên, đột biến tương tự có thể làm hỏng khả năng bám vào vật chủ và sinh sản của virus - một bất lợi rõ ràng.

Để loại trừ những loại đột biến này, AI đã so sánh các chuỗi protein từ nhiều loại vi rút Corona được phát hiện trước đại dịch — chẳng hạn như vi rút SARS ban đầu và vi rút “cảm lạnh thông thường”. Sự so sánh này cho thấy phần nào của bộ gen virus được bảo tồn. Những người quản lý di truyền này là nền tảng cho sự tồn tại của virus. Bởi vì các loại virus Corona khác và SARS-CoV-2 có chung một tổ tiên di truyền nên đột biến ở những gen này có thể dẫn đến tử vong chứ không phải là các biến thể khả thi.

Ngược lại, AI dự đoán các protein tăng đột biến là thành phần linh hoạt của virus có nhiều khả năng tiến hóa nhất. Rải rác dọc theo bề mặt của virus, những protein này đã là mục tiêu cho vắc xin và liệu pháp kháng thể. Những thay đổi đối với các protein này có thể làm giảm hiệu quả của các liệu pháp hiện tại.

Chuyển đến tương lai

Nhận thức muộn màng là 20/20 khi phân tích một đại dịch. Nhưng có một cái nhìn thoáng qua về những gì có thể xảy ra — thay vì cố gắng đuổi kịp — là điều cần thiết nếu chúng ta muốn ngăn chặn đại dịch tiếp theo từ trong trứng nước.

Để kiểm tra khả năng dự đoán của AI, nhóm nghiên cứu đã đối chiếu các dự đoán của nó với cơ sở dữ liệu GISAID (Sáng kiến toàn cầu về chia sẻ tất cả dữ liệu về bệnh cúm) để đánh giá độ chính xác của chúng. Bất chấp tên gọi của nó, cơ sở dữ liệu chứa 750,000 trình tự di truyền duy nhất của virus Corona.

EVEscape đã xác định các biến thể có nhiều khả năng lây lan nhất—chẳng hạn như delta và omicron—với 50% dự đoán hàng đầu của nó được thấy trong đại dịch tính đến tháng 2023 năm XNUMX. Khi đọ sức với một học máy trước đó Phương pháp này cho thấy EVEscape có khả năng dự đoán đột biến và dự báo biến thể nào có khả năng thoát khỏi phương pháp điều trị bằng kháng thể tốt gấp đôi.

Nhớ lại quá khứ

Siêu năng lực của EVEscape là nó có thể được sử dụng với các loại virus khác. Covid đã thống trị sự chú ý của chúng tôi trong ba năm qua. Nhưng những loại virus ít được biết đến hơn lại ẩn nấp trong im lặng. Ví dụ, virus Lassa và Nipah thỉnh thoảng bùng phát ở các nước Tây Phi và Tây Nam Á và có khả năng gây đại dịch. Virus có thể được điều trị bằng kháng thể, nhưng chúng biến đổi nhanh chóng.

Bằng cách sử dụng EVEscape, nhóm nghiên cứu đã dự đoán các đột biến thoát khỏi ở những loại virus này, bao gồm cả những loại virus đã được biết là có khả năng trốn tránh kháng thể.

Kết hợp di truyền tiến hóa và AI, nghiên cứu cho thấy “chìa khóa thành công trong tương lai phụ thuộc vào việc ghi nhớ quá khứ”. nói Tiến sĩ. Nash D. Rochman và Eugene V. Koonin tại Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia và Thư viện Y khoa Quốc gia ở Maryland, những người không tham gia vào nghiên cứu.

EVEscape có khả năng dự đoán các biến thể vi-rút trong tương lai—ngay cả những biến thể chưa được biết đến. Nó có thể ước tính nguy cơ xảy ra đại dịch, có khả năng giúp chúng ta đi trước một bước trong đợt bùng phát tiếp theo.

Nhóm hiện đang sử dụng công cụ này để dự đoán biến thể SARS-CoV-2 tiếp theo. Họ theo dõi các đột biến hai tuần một lần và xếp hạng tiềm năng của từng biến thể vì đã gây ra một làn sóng Covid khác. Dữ liệu được chia sẻ với Tổ chức Y tế Thế giới và mã có sẵn công khai.

Đối với Rochman và Koonin, bộ công cụ AI mới có thể giúp ngăn chặn đại dịch tiếp theo. Họ viết: Giờ đây chúng ta có thể hy vọng “Covid-19 sẽ mãi mãi được biết đến là đại dịch gây rối loạn nhất trong lịch sử loài người”.

Tín dụng hình ảnh: Một hạt virus SARS-CoV2 / Viện Dị ứng và Bệnh Truyền nhiễm Quốc gia, NIH