Δυο μήνες πρόβλεψη για τις νέες μεταλλάξεις του κοροναϊού

Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας χρηματοδότησαν με 2,7 εκατομμύρια δολάρια ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν για να συνεχίσουν να αναπτύσσουν αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης που προβλέπουν βασικά χαρακτηριστικά των ιών καθώς εξελίσσονται.

Επικεφαλής της ομάδας είναι ο Guowei Wei, ειδικός στην τεχνητή νοημοσύνη που έχει δημοσιεύσει σχεδόν 30 εργασίες για τον COVID-19, και ο Yong-Hui Zheng, του οποίου η εκτεταμένη εξειδίκευση στην ιολογία βοηθά στην επαλήθευση και τη βελτίωση των προβλέψεων τεχνητής νοημοσύνης. Στην ομάδα μετέχει και ο Jiahui Chen, επισκέπτης βοηθός καθηγητής στο MSU που έπαιξε ουσιαστικό ρόλο στην ανάπτυξη των μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης.

Το εργαστήριο του Wei έχει ήδη δείξει ότι αυτά τα μοντέλα μπορούν να κάνουν ακριβείς προβλέψεις για καινούριες παραλλαγές του νέου κοροναϊού και με αυτήν την επιχορήγηση, οι ερευνητές εργάζονται για να ενισχύσουν τους αλγορίθμους τους.

«Κάνουμε τις προβλέψεις μας πιο ακριβείς και πιο επίκαιρες, όχι μόνο για τον COVID, αλλά και για πολλές άλλες ιογενείς λοιμώξεις», δήλωσε ο Wei, Καθηγητής του Ιδρύματος MSU στο Τμήμα Μαθηματικών του Κολλεγίου Φυσικών Επιστημών και στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας.

Το έργο θα μπορούσε κάποια μέρα να βοηθήσει τους παραγωγούς φαρμάκων να δημιουργήσουν εμβόλια και θεραπείες για όλο τον πλανήτη, και τα οποία να είναι αφενός πιο αποτελεσματικά και αφετέρου να μην επηρεάζονται από την εξέλιξη των ιών, ιδίως όταν πρόκειται για τη γρίπη, τον HIV και τον COVID-19.

«HIV, Έμπολα, γρίπη, κοροναϊός – είναι όλοι διαφορετικοί ιοί, αλλά έχουν κοινά χαρακτηριστικά. Αν μάθουμε πώς να επιτιθέμεθα σε έναν, αυτό μπορεί να μας ενημερώσει για το πώς επιτιθόμαστε στους άλλους», δήλωσε ο Zheng, καθηγητής στο Κολλέγιο Οστεοπαθητικής Ιατρικής στο Τμήμα Μικροβιολογίας και Μοριακής Γενετικής.

«Ο στόχος είναι να είμαστε πολύ καλύτερα προετοιμασμένοι για οποιαδήποτε μελλοντική ασθένεια ή πανδημία», πρόσθεσε ο Wei.

Η τεχνητή νοημοσύνη προστατεύει τη δημόσια υγεία

Η ομάδα του Wei εκτιμά ότι μπορεί αποτελεσματικά να ενημερώσει τους αξιωματούχους δημόσιας υγείας για την ανάγκη λήψης μέτρων όπως η χρήση μάσκας και η τήρηση αποστάσεων για την αντιμετώπιση των αναδυόμενων παραλλαγών του κοροναϊού.

Καθώς «επιβιώνει ο ισχυρότερος», ένας ιός που ξεφεύγει από τα εμβόλια ή τη φυσική ανοσία, είναι πιο κατάλληλος από την προηγούμενη παραλλαγή του για να συνεχίσει να μολύνει τους ανθρώπους, Και ο ιός αυτός δεν πρόκειται να κουραστεί, να βαρεθεί ή απλώς να τα παρατήσει.

«Οι ιοί δεν έχουν προσωπικότητα. Απλώς επιβιώνουν», είπε ο Wei. «Θέλουμε να βεβαιωθούμε ότι είμαστε προετοιμασμένοι».

Αυτή η νέα επιχορήγηση, που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ινστιτούτο Αλλεργιών και Λοιμωδών Νοσημάτων, είναι μια επένδυση για τη βελτίωση της ετοιμότητάς μας μέσω τεχνολογίας αιχμής. Αλλά αξιοποιεί επίσης την τεχνογνωσία και την εμπειρία των Wei και Zheng.

Η χρηματοδότηση αυτή είναι η πρώτη ειδική για τον κοροναϊό που δέχεται το εργαστήριο του Zheng από το NIH εδώ και 20 χρόνια. Αρχικά προσλήφθηκε στο MSU το 2005 ως ερευνητής HIV και με την πάροδο του χρόνου το εργαστήριό του αναπτύχθηκε για να μελετήσει τη μοριακή βιολογία της γρίπης και του Έμπολα. Όταν ξέσπασε η πανδημία του κοροναϊού, η ομάδα του μπορούσε να παρέχει πολύτιμη πειραματική υποδομή για να βοηθήσει στην καλύτερη μελέτη του νέου ιού.

Για παράδειγμα, η ομάδα του ανέπτυξε λιγότερο επικίνδυνες εκδοχές του ιού μαζί με κύτταρα που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο για να μολύνουν αυτούς τους «ψευδοϊούς», διατηρώντας παράλληλα τη βιοχημεία πραγματικών, κλινικών λοιμώξεων. Οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης πολύ ευαίσθητες αναλύσεις ή τεστ, που θα αποκάλυπταν ποιοι ιοί μόλυναν ποια κύτταρα. Όλα αυτά παρείχαν στους ερευνητές ασφαλέστερους, ταχύτερους και ευκολότερους τρόπους μελέτης ενός πολύπλοκου ιού, δημιουργώντας ταυτόχρονα, πολύτιμα βιολογικά δεδομένα.

Έτσι, στις αρχές του 2020, η ομάδα του Wei άρχισε να αξιοποιεί τις δεξιότητές της για την καταπολέμηση του κοροναϊού.

«Πριν από την πανδημία, είχαμε επιτυχία σε παγκόσμιους διαγωνισμούς, αναγνωρίζοντας ως ένα από τα κορυφαία εργαστήρια συνδυασμού τεχνητής νοημοσύνης και μαθηματικών για την ανακάλυψη φαρμάκων», δήλωσε ο Wei, ο οποίος επίσης συνεργάζεται με το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Κολλέγιο. Μηχανικών.

Συνδυασμός γνώσης

Η έρευνα του Wei είχε επικεντρωθεί στη χρήση τεχνητής νοημοσύνης για να βοηθήσει στο σχεδιασμό νέων φαρμακευτικών προϊόντων σε συνεργασία με την Pfizer και την Bristol-Myers Squibb. Λίγες μέρες μετά το lockdown της Γουχάν στην Κίνα τον Ιανουάριο του 2020, η ομάδα του Wei άρχισε να μοιράζεται τους αλγορίθμους της τεχνητής νοσημοσύνης στην προσπάθεια να συμβάλλει στην ανακάλυψη φαρμάκων για την καταπολέμηση του κορωνοϊού.

Ταυτόχρονα όμως, με την παγκόσμια κοινότητα να εργάζεται για την καταπολέμηση του κοροναϊού, και τα δεδομένα του γονιδιώματός του να κοινοποιούνται τακτικά, ο Wei και η ομάδα του ξεκίνησαν να συνδυάζουν αυτά δεδομένα με τους αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης για να κατανοήσουν πώς μεταλλάσσεται ο ιός στο πέρασμα του χρόνου. Η ομάδα του διαπίστωσε πώς λειτουργεί η «επιβίωση του ισχυρότερου» στον ιό, η οποία όριζε την εξέλιξή του.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη γνώση για να εντοπίσουν δύο -δυνητικά ζωτικής σημασίας- θέσεις στην πρωτεΐνη ακίδα του ιού. Οι μεταλλάξεις σε αυτές τις δύο θέσεις αποδείχθηκε αργότερα ότι έπαιζαν κρίσιμους ρόλους στις πιο διαδεδομένες παραλλαγές του ιού, σημείωσε ο Wei. Πρόσθεσε επίσης ότι ο συνδυασμός των δεδομένων, «μας δίνει έναν τρόπο να προβλέψουμε τι μπορεί να συμβεί στο μέλλον».

Επιτυχής πρόβλεψη

Οι Wei και Zheng συνεργάζονται για περίπου ένα χρόνο, πριν την επιχορήγηση. Η ομαδική τους εργασία δημιούργησε ακριβείς αλγόριθμους με πραγματικά δεδομένα και παρείχε πειραματικά αποτελέσματα για σύγκριση με προβλέψεις τεχνητής νοημοσύνης.

«Πρέπει να έχουμε αυτή τη διεπιστημονική συνεργασία για να έχουμε αποτέλεσμα», είπε ο Zheng. «Όλα όσα προέβλεπαν τα μοντέλα υπολογιστών, έπρεπε να τα επιβεβαιώσουμε με πειράματα σε ένα ζωντανό σύστημα».

Δυο μήνες προθεσμία

Αν και η ομάδα του Wei επικύρωσε την τεχνητή νοημοσύνη της με εργαστηριακά πειράματα, οι ερευνητές γνώριζαν ακόμα ότι θα έπρεπε να αποδείξουν ότι οι αλγόριθμοί τους θα μπορούσαν να λειτουργήσουν με μια ολοκαίνουργια παραλλαγή με πολύ λίγα δεδομένα. Στη συνέχεια, το φθινόπωρο του 2021, εμφανίστηκε η πρώτη παραλλαγή της Όμικρον.

Οι προβολές τους έδειξαν ότι αυτή η πρώτη επανάληψη της Όμικρον θα ήταν πιο μολυσματική, θα αποφεύγει καλύτερα τα εμβόλια και η ανταπόκριση σε θεραπείες με αντισώματα θα είναι μικρότερη από τις προηγούμενες παραλλαγές.

«Μέσα σε λίγες μέρες, είχαμε τις προβλέψεις μας», είπε ο Wei. «Ενάμιση μήνα αργότερα, όλα όσα προβλέψαμε αποδείχθηκαν αληθινά από πειραματικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Χρησιμοποιώντας την τεχνητή νοημοσύνη, μπορούμε να δώσουμε στους ανθρώπους έναν ή δύο μήνες για προετοιμασία».

Στη συνέχεια, στις αρχές του 2022, άρχισε να διαδίδεται μια νέα υποπαραλλαγή της Όμικρον που ονομάζεται BA.2. Παρόμοιο σενάριο ακολούθησε. Η ομάδα του Wei προέβλεψε ότι θα ήταν πιο μολυσματική και θα ξέφευγε ακόμη περισσότερο, κάτι που θα επέτρεπε να γίνει η επόμενη κυρίαρχη παραλλαγή. «Κάναμε τις προβλέψεις μας στις 11 Φεβρουαρίου και στις 26 Μαρτίου, ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας ανακοίνωσε ότι ήταν η κυρίαρχη μορφή του ιού», είπε ο Wei.

Τώρα που οι επιστήμονες και οι αξιωματούχοι κατανοούν καλύτερα την Όμικρον, οι νεότερες παραλλαγές δεν «απολαμβάνουν» την ίδια προσοχή με τις προηγούμενες. Όμως νέες παραλλαγές εξακολουθούν να εμφανίζονται. Με την υποστήριξη των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας, η ομάδα του MSU εργάζεται για να διασφαλίσει ότι θα είμαστε προετοιμασμένοι για το επόμενο, είτε πρόκειται για μια νέα παραλλαγή, είτε για κάτι πιο οικείο όπως η γρίπη ή ακόμη και για κάτι εντελώς διαφορετικό.