EVEscape: lo strumento AI prevede epidemie virali

EVEscape prevede future mutazioni virali, nuove varianti utilizzando informazioni biologiche e evolutive.

Coronavirus, Covid-19 – interpretazione artistica. Immagine generata utilizzando DALL·E 3

La pandemia di COVID-19 sembrava una parata infinita di varianti SARS-CoV-2, ciascuna dotata di nuovi modi per eludere il sistema immunitario, lasciando il mondo pronto a ciò che sarebbe accaduto dopo.

Ma cosa accadrebbe se esistesse un modo per prevedere nuove varianti virali prima che emergano?

Un nuovo intelligenza artificiale strumento, EVEscape, sviluppato dai ricercatori della Harvard Medical School e dell’Università di Oxford, può fare proprio questo.

Lo strumento ha due elementi: un modello di sequenze evolutive che prevede i cambiamenti che possono verificarsi in un virus e informazioni biologiche e strutturali dettagliate sul virus. Insieme, consentono a EVEscape di prevedere le varianti che hanno maggiori probabilità di verificarsi durante l’evoluzione del virus.

In uno studio pubblicato in Natura, i ricercatori mostrano che se fosse stato utilizzato all’inizio della pandemia di COVID-19, EVEscape avrebbe previsto le mutazioni più frequenti e identificato le varianti più preoccupanti per SARS-CoV-2. Lo strumento ha inoltre previsto con precisione altri virus, tra cui l’HIV e l’influenza.

I ricercatori stanno ora utilizzando EVEscape per guardare al futuro della SARS-CoV-2 e prevedere le future varianti preoccupanti; rilasciano una classifica delle nuove varianti ogni due settimane. Alla fine, queste informazioni potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare vaccini e terapie più efficaci. Il team sta inoltre ampliando il lavoro per includere più virus.

“Vogliamo sapere se possiamo anticipare la variazione dei virus e prevedere nuove varianti, perché se possiamo, sarà estremamente importante per la progettazione di vaccini e terapie”, ha affermato l’autore senior Debora Marcoprofessore associato di biologia dei sistemi presso l’Istituto Blavatnik dell’HMS.

Pazienti affetti da coronavirus in ospedale. Le future epidemie virali potrebbero essere previste utilizzando EVEscape, un nuovo strumento di intelligenza artificiale. Credito immagine: Mohsen Atayi via WikimediaCC-BY-4.0

Da EVE a EVEscape

I ricercatori hanno prima sviluppato VIGILIA, abbreviazione di modello evolutivo dell’effetto variante, in un contesto diverso: mutazioni genetiche che causano malattie umane. Il nucleo di EVE è un modello generativo che impara a prevedere la funzionalità delle proteine ​​sulla base di dati evolutivi su larga scala tra le specie.

In uno studio precedenteEVE ha permesso ai ricercatori di farlo discernere le mutazioni che causano la malattia da quelle benigne nei geni collegati a varie condizioni, inclusi tumori e disturbi del ritmo cardiaco.

“Puoi usare questi modelli generativi per imparare cose straordinarie dalle informazioni evolutive: i dati hanno segreti nascosti che puoi rivelare”, ha detto Marks.

Mentre la pandemia di COVID-19 si diffondeva e progrediva, il mondo è stato colto di sorpresa dall’impressionante capacità di evolversi della SARS-CoV-2. Il virus ha continuato a trasformarsi, modificando la sua struttura in modi sottili e sostanziali per sfuggire ai vaccini e alle terapie progettate per sconfiggerlo.

“Sottovalutiamo la capacità delle cose di mutare quando sono sotto pressione e abbiamo una vasta popolazione in cui farlo”, ha detto Marks. “I virus sono flessibili: è quasi come se si fossero evoluti per evolversi.”

Osservando lo svolgersi della pandemia, Marks e il suo team hanno visto un’opportunità per aiutare: hanno ricostruito EVE in un nuovo strumento chiamato EVEscape allo scopo di prevedere le varianti virali.

Hanno preso il modello generativo di EVE – che può prevedere mutazioni nelle proteine ​​virali che non interferiscono con la funzione del virus – e hanno aggiunto dettagli biologici e strutturali sul virus, comprese informazioni sulle regioni più facilmente prese di mira dal sistema immunitario.

“Stiamo prendendo informazioni biologiche su come funziona il sistema immunitario e sovrapponendole alle nostre conoscenze derivanti dalla più ampia storia evolutiva del virus”, ha spiegato la co-autrice principale Nicole Thadani, un ex ricercatore nel laboratorio Marks.

Un simile approccio, ha sottolineato Marks, significa che EVEscape dispone di una struttura flessibile che può essere facilmente adattata a qualsiasi virus.

Riportare indietro l’orologio

Nel nuovo studio, il team ha riportato l’orologio indietro al gennaio 2020, poco prima dell’inizio della pandemia di COVID-19. Quindi hanno chiesto a EVEscape di prevedere cosa sarebbe successo con SARS-CoV-2.

“È come se avessi una macchina del tempo. Torni al primo giorno e dici: ho solo quei dati, cosa posso dire che sta succedendo? Ha detto Marks.

EVEscape ha previsto quali mutazioni SARS-CoV-2 si sarebbero verificate durante la pandemia con una precisione simile a quella degli approcci sperimentali che testano la capacità del virus di legarsi agli anticorpi prodotti dal sistema immunitario. EVEscape ha sovraperformato gli approcci sperimentali nel prevedere quale di queste mutazioni sarebbe stata prevalente.

Ancora più importante, EVEscape potrebbe fare le sue previsioni in modo più rapido ed efficiente rispetto ai test di laboratorio poiché non ha bisogno di attendere che gli anticorpi rilevanti si manifestino nella popolazione e diventino disponibili per i test.

Inoltre, EVEscape ha previsto quali terapie basate su anticorpi avrebbero perso la loro efficacia con il progredire della pandemia e con lo sviluppo di mutazioni da parte del virus per sfuggire a questi trattamenti.

Lo strumento è stato anche in grado di vagliare le decine di migliaia di nuove varianti SARS-CoV-2 prodotte ogni settimana e identificare quelle che con maggiore probabilità diventeranno problematiche.

“Determinando rapidamente il livello di minaccia delle nuove varianti, possiamo aiutare a prendere decisioni tempestive sulla salute pubblica”, ha affermato la co-autrice Sarah Gurev, una studentessa laureata del laboratorio Marks del programma di ingegneria elettrica e informatica del MIT.

Nella fase finale, il team ha dimostrato che EVEscape potrebbe essere generalizzato ad altri virus comuni, tra cui l’HIV e l’influenza.

Progettazione di vaccini e terapie a prova di mutazione

Il team sta ora applicando EVEscape a SARS-CoV-2 in tempo reale, utilizzando tutte le informazioni disponibili per fare previsioni su come potrebbe evolversi successivamente.

I ricercatori pubblicano un bisettimanale classifica delle nuove varianti SARS-CoV-2 sul loro sito web e condividono queste informazioni con enti come l’Organizzazione Mondiale della Sanità. IL codice completo per EVEscape è disponibile gratuitamente anche on-line.

Stanno anche testando EVEscape su virus poco studiati come Lassa e Nipah, due agenti patogeni dal potenziale pandemico per i quali esistono relativamente poche informazioni.

Questi virus meno studiati possono avere un enorme impatto sulla salute umana in tutto il mondo, hanno osservato i ricercatori.

Un’altra importante applicazione di EVEscape sarebbe quella di valutare vaccini e terapie contro le varianti virali attuali e future. La capacità di farlo può aiutare gli scienziati a progettare trattamenti in grado di resistere ai meccanismi di fuga acquisiti dal virus.

“Storicamente, la progettazione di vaccini e terapie è stata retrospettiva, lenta e legata alle sequenze esatte note su un dato virus”, ha affermato Thadani.

Noor Youssef, ricercatore del laboratorio Marks, ha aggiunto: “Vogliamo capire come possiamo effettivamente progettare vaccini e terapie che siano a prova di futuro”.

Fonte: HMS