Los virus tienen una asombrosa capacidad para evolucionar rápidamente. Covid-19 es un claro ejemplo. A medida que el virus mutó de beta a delta a omicrón, la pandemia se prolongó y el mundo se cerró. Los científicos se apresuraron a adaptar vacunas y tratamientos a nuevas variantes. El virus tuvo la ventaja; estábamos poniéndonos al día.
Una IA desarrollado por la Universidad de Harvard podría cambiar el rumbo al permitirnos predecir nuevas variantes antes de que lleguen. La IA, llamada EVEscape, es una especie de “oráculo” mecánico para la evolución viral.
Capacitado sobre los datos recopilados. antes Durante la pandemia, el algoritmo pudo predecir mutaciones frecuentes y variantes preocupantes para Covid-19 y también generó una lista de variantes preocupantes en el futuro. El corazón de la herramienta es un modelo de IA generativa, como los que impulsan DALL-E or ChatGPT, pero incluye varios factores biológicos cuidadosamente seleccionados para reflejar mejor las mutaciones virales.
La herramienta no se creó solo para Covid-19: también predice con precisión variantes de los virus de la gripe, el VIH y dos virus poco estudiados que podrían provocar futuras pandemias.
"Queremos saber si podemos anticiparnos a la variación de los virus y pronosticar nuevas variantes". dijo Dra. Debora Marks, quien dirigió el estudio en el Instituto Blavatnik de la Facultad de Medicina de Harvard. "Porque si podemos, será extremadamente importante para diseñar vacunas y terapias".
Hubo un fuerte impulso para utilizar la IA para predecir mutaciones virales durante las fases agudas de la pandemia. Si bien eran útiles, la mayoría de los modelos se basaban en información sobre variantes existentes y sólo podían producir predicciones a corto plazo.
EVEscape, por el contrario, utiliza la genómica evolutiva para investigar la ascendencia de un virus, lo que da como resultado pronósticos más largos y, potencialmente, tiempo suficiente para planificar con anticipación y contraatacar.
"Queremos descubrir cómo podemos diseñar vacunas y terapias que estén preparadas para el futuro", dijo el autor del estudio, el Dr. Noor Youssef.
Evolucionado para evolucionar
Aunque los virus son extremadamente adaptables a las presiones de la selección natural, aun así evolucionan como otras criaturas vivientes. Su material genético muta aleatoriamente. Algunas mutaciones disminuyen su capacidad para infectar a los huéspedes. Otros matan a sus anfitriones antes de que puedan multiplicarse. Pero a veces, los virus tropiezan con una variante de Ricitos de Oro, una que mantiene al huésped lo suficientemente sano como para que el virus se reproduzca y se propague como la pólvora. Si bien son excelentes para la supervivencia de los virus, estas variantes provocan catástrofes globales para la humanidad, como en el caso del Covid-19.
Los científicos llevan mucho tiempo intentando predecir las mutaciones virales y sus efectos. Lamentablemente, es imposible predecir todas las mutaciones posibles. Un coronavirus típico tiene aproximadamente 30,000 letras genéticas. El número de variantes potenciales es mayor que todas las partículas elementales—es decir, electrones, quarks y otras partículas fundamentales—en el universo.
El nuevo estudio se centró en una solución más práctica. Olvídese de mapear cada variante. Con datos limitados, ¿podemos al menos predecir los peligrosos?
Juguemos al villano
El equipo recurrió a EVE, una IA desarrollada previamente para buscar variantes genéticas que causan enfermedades en humanos. En el núcleo del algoritmo se encuentra un modelo generativo profundo que puede predecir la función de las proteínas sin depender únicamente de la experiencia humana.
La IA aprendió de la evolución. Al igual que los arqueólogos que comparan esqueletos de primos homínidos para echar un vistazo al pasado, la IA examinó secuencias de ADN que codifican proteínas de todas las especies. La estrategia Descubrieron variantes genéticas en humanos críticas para la salud, por ejemplo, aquellas implicadas en cáncer o problemas cardíacos.
"Puedes utilizar estos modelos generativos para aprender cosas asombrosas a partir de información evolutiva; los datos tienen secretos ocultos que puedes revelar". dijo Marcas.
El nuevo estudio volvió a capacitar a EVE para predecir variantes genéticas relacionadas con los virus. Utilizaron el SARS-CoV-2, el virus detrás del Covid-19, como primera prueba de concepto.
La clave fue integrar las necesidades biológicas del virus en el conjunto de datos de la IA.
El motor central de un virus es la supervivencia. Mutan rápidamente, lo que a veces conduce a cambios genéticos que pueden eludir las vacunas o los tratamientos con anticuerpos. Sin embargo, la misma mutación puede dañar la capacidad de un virus para aferrarse a su huésped y reproducirse, una desventaja obvia.
Para descartar este tipo de mutaciones, la IA comparó secuencias de proteínas de una amplia gama de coronavirus descubiertos antes de la pandemia: el virus original del SARS, por ejemplo, y el virus del “resfriado común”. Esta comparación reveló qué partes del genoma viral se conservan. Estos administradores genéticos son fundamentales para la supervivencia del virus. Debido a que otros coronavirus y el SARS-CoV-2 comparten una ascendencia genética común, las mutaciones en estos genes probablemente provoquen la muerte en lugar de variantes viables.
Por el contrario, la IA predijo que las proteínas de pico serían el componente flexible del virus con mayor probabilidad de evolucionar. Estas proteínas, repartidas a lo largo de la superficie del virus, ya son objetivos de vacunas y terapias con anticuerpos. Los cambios en estas proteínas podrían reducir la eficacia de las terapias actuales.
Regreso al futuro
En retrospectiva, la situación es 20/20 cuando se analiza una pandemia. Pero vislumbrar lo que puede venir, en lugar de tratar de ponerse al día, es esencial si queremos cortar de raíz la próxima pandemia.
Para probar los poderes predictivos de la IA, el equipo comparó sus predicciones con la base de datos GISAID (Iniciativa global para compartir todos los datos sobre la influenza) para medir su precisión. A pesar de su nombre, la base de datos contiene 750,000 secuencias únicas de secuencias genéticas del coronavirus.
EVEscape identificó las variantes con mayor probabilidad de propagarse, como delta y omicron, por ejemplo, y el 50 por ciento de sus principales predicciones se observaron durante la pandemia en mayo de 2023. Cuando se compara con un aprendizaje automático previo Con este método, EVEscape fue dos veces mejor para predecir mutaciones y pronosticar qué variantes tenían más probabilidades de escapar de los tratamientos con anticuerpos.
Recordando el pasado
El superpoder de EVEscape es que se puede utilizar con otros virus. Covid ha dominado nuestra atención durante los últimos tres años. Pero los virus menos conocidos acechan en silencio. Los virus Lassa y Nipah, por ejemplo, aparecen esporádicamente en países de África occidental y del suroeste de Asia y tienen potencial pandémico. Los virus pueden tratarse con anticuerpos, pero mutan rápidamente.
Utilizando EVEscape, el equipo predijo mutaciones de escape en estos virus, incluidos aquellos que ya se sabe que evaden los anticuerpos.
Combinando genética evolutiva e inteligencia artificial, el trabajo muestra que "la clave para el éxito futuro reside en recordar el pasado". dijo Dres. Nash D. Rochman y Eugene V. Koonin del Centro Nacional de Información Biotecnológica y la Biblioteca Nacional de Medicina de Maryland, que no participaron en el estudio.
EVEscape tiene el poder de predecir variantes futuras de virus, incluso aquellas aún desconocidas. Podría estimar el riesgo de una pandemia, manteniéndonos potencialmente un paso por delante del próximo brote.
El equipo ahora está utilizando la herramienta para predecir la próxima variante del SARS-CoV-2. Realizan un seguimiento de las mutaciones quincenalmente y clasificar el potencial de cada variante por desencadenar otra ola de Covid. Los datos se comparten con la Organización Mundial de la Salud y la El código está disponible abiertamente..
Para Rochman y Koonin, el nuevo conjunto de herramientas de IA podría ayudar a frustrar la próxima pandemia. Ahora podemos esperar que “la COVID-19 siga siendo conocida para siempre como la pandemia más perturbadora de la historia de la humanidad”, escribieron.
Crédito de la imagen: una partícula del virus SARS-CoV2. Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, NIH
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- Fuente: https://singularityhub.com/2023/11/13/how-generative-ai-could-help-us-predict-the-next-pandemic/
