Пандемия COVID-19 быстро превратилась в парад разных вариантов вируса SARS-CoV-2, каждый из которых «изобретал» всё новые инструменты уклоняться от иммунной системы. Эти метаморфозы продолжаются и по сей день: то и дело появляются новые подтипы штамма «омикрон». Обычно они быстро сходят на нет, но точных прогнозов о том, что будет дальше, не даст ни один эпидемиолог.

Ученые очень хотели бы иметь в своем распоряжении инструмент, который помогал бы прогнозировать появление новых вирусов.

Недавно такой инструмент предложили исследователи из Гарвардской медицинской школы и Оксфордского университета – систему EVEscape, основанную на искусственном интеллекте.

Эта система предсказывает появление новых вирусов за счет сочетания двух компонентов:

1.       Подробная информация о структуре и биологии вируса.

2.       Модель эволюционных последовательностей, предсказывающая изменения, которые могут произойти в структуре вируса.

Авторы научной работы, опубликованной 11 октября 2023 года в журнале Nature, утверждают: если бы система EVEscape появилась в начале пандемии COVID-19, то она помогла бы предсказывать появление новых вариантов вируса SARS-CoV-2. Также во время экспериментов удалось получить точные прогнозы по поводу изменений вируса гриппа и ВИЧ.

Сейчас исследователи периодически запускают EVEscape и проверяют, не маячат ли на горизонте новые опасные варианты коронавируса. Дважды в неделю они публикуют рейтинг наиболее вероятных вариантов. В конечном счете это должно помочь в создании более эффективных вакцин и противовирусных препаратов.

Доцент Дебора Маркс, старший автор исследования, отмечает:

Нам хочется знать, можем ли мы предвидеть возникновение новых вариантов вирусов. Это может сыграть важную роль в разработке новых вакцин и методов лечения.

EVE и EVEscape: «мама и дочка»

Изначально система называлась EVE – аббревиатура от англоязычного словосочетания «эволюционная модель вариантного эффекта». Она предназначалась для выявления мутаций, способных приводить к заболеваниям у человека. Ядро EVE представляло собой генеративную модель, которая обучается предсказывать функциональное состояние белков на основе больших данных об эволюции разных биологических видов.

Предыдущее исследование показало, что EVE неплохо отличает доброкачественные мутации от тех, что вызывают различные патологии, например, нарушения сердечного ритма.

Во время недавно завершившейся пандемии главным вызовом для врачей и ученых стала способность вируса SARS-CoV-2 быстро мутировать. Новые вакцины и лекарственные препараты довольно быстро теряли эффективность.

Мы недооцениваем способность вирусов к мутированию, когда они находятся под эволюционным давлением. – говорит доцент Маркс, – Фактором такого давления стала наша большая человеческая популяция. Вирусы гибкие в этом плане: они будто созданы для того, чтобы постоянно меняться.

Наблюдая за развитием пандемии, ученые поняли, что могут помочь. Они переделали систему EVE в EVEscape. За основу была взята генеративная модель, способная предсказывать мутации в вирусных белках. К ней была добавлена информация о биологии и структуре вирусов, в том числе об областях белков, на которые лучше всего реагирует иммунная система.

Система EVEscape получилась гибкой. Ее можно быстро адаптировать под любой вид вирусов.

Вперед в прошлое и назад в будущее

В новом исследовании ученые буквально откатили время назад, в январь 2020 года. После этого они попросили систему EVEscape предсказать, что произойдет с новым коронавирусом.

Искусственный интеллект достаточно точно спрогнозировал, какие мутации должны произойти в вирус. Эти данные совпали с теми, что ученые получали в экспериментах по мере развития пандемии.

Кроме того, EVEscape точнее, чем исследователи, предсказывала, какая мутация станет наиболее распространенной. ИИ выстраивал прогнозы намного быстрее, чем это делали во время пандемии. Ему не нужно было ждать, пока новый антиген будет выявлен в лаборатории и распространится в популяции.

Еще EVEscape предсказала, какие методы лечения на основе применения антител утратят эффективность по мере появления у вируса новых мутаций.

Наконец, система проанализировала десятки тысяч новых вариантов SARS-CoV-2, которые появляются каждую неделю, и определила те, которые могут причинить наибольшие проблемы.

Новый инструмент и полученные с помощью него знания послужат двум основным целям: разработке новых эффективных методов лечения и профилактики. В настоящее время автор исследования используют EVEscape, чтобы изучать другие вирусы, в том числе редкие, такие как Ласса и Нипах.