COVID-19 salgını, her biri bağışıklık sisteminden kaçmanın yeni yollarıyla donatılmış ve dünyayı bir sonraki adıma hazırlayan SARS-CoV-2 varyantlarının hiç bitmeyen bir geçit töreni gibi görünüyordu.
Peki ya yeni viral varyantlar ortaya çıkmadan önce tahminlerde bulunmanın bir yolu olsaydı?
EVEscape adlı yeni bir yapay zeka aracı, Bilim Tıp Fakültesi ve Oxford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen teknoloji tam da bunu yapabilir.
Aracın iki unsuru var: Bir virüste meydana gelebilecek değişiklikleri tahmin eden bir evrimsel dizi modeli ve virüs hakkında ayrıntılı biyolojik ve yapısal bilgi. Birlikte, EVEscape'in virüs geliştikçe ortaya çıkma olasılığı en yüksek olan varyantlar hakkında tahminlerde bulunmasına olanak tanıyor.
Çarşamba günü Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, EVEscape'in eğer KOVİD-19 salgınının başlangıcında konuşlandırılmış olsaydı en sık görülen mutasyonları tahmin edeceğini ve SARS-CoV-2 için en endişe verici varyantları tanımlayacağını gösteriyor. Araç ayrıca HIV ve grip dahil diğer virüsler hakkında da doğru tahminlerde bulundu.
Araştırmacılar artık SARS-CoV-2'ye ileriye bakmak ve kaygının gelecekteki değişkenlerini tahmin etmek için EVEscape'i kullanıyor; her iki haftada bir yeni çeşitlerin sıralamasını yayınlıyorlar. Sonunda bu bilgi bilim adamlarının daha etkili aşılar ve tedaviler geliştirmesine yardımcı olabilir. Ekip ayrıca çalışmayı daha fazla virüsü kapsayacak şekilde genişletiyor.
Blavatnik Enstitüsü'nde sistem biyolojisi profesörü ve kıdemli yazar Debora Marks, “Virüslerdeki çeşitliliği tahmin edip edemeyeceğimizi ve yeni varyantları tahmin edip edemeyeceğimizi bilmek istiyoruz – çünkü eğer yapabilirsek, bu aşı ve tedavilerin tasarlanması açısından son derece önemli olacak” dedi. HMS'de.
EVE'den EVEscape'e
Araştırmacılar ilk olarak farklı bir bağlamda evrimsel değişken etki modelinin kısaltması olan EVE'yi geliştirdiler: insan hastalıklarına neden olan gen mutasyonları. EVE'nin özü, türler arasındaki büyük ölçekli evrimsel verilere dayanarak proteinlerin işlevselliğini tahmin etmeyi öğrenen üretken bir modeldir.
Önceki bir çalışmada EVE, araştırmacıların, kanserler ve kalp ritmi bozuklukları da dahil olmak üzere çeşitli durumlarda rol oynayan genlerdeki iyi huylu mutasyonlardan hastalığa neden olan şeyleri ayırt etmelerine olanak tanıdı.
COVID-19 salgını vurup ilerledikçe, dünya SARS-CoV-2'nin etkileyici gelişme yeteneği karşısında hazırlıksız yakalandı. Virüs, kendisini yenmek için tasarlanan aşıları ve tedavileri atlatmak için yapısını incelikli ve önemli bir şekilde değiştirerek şekil değiştirmeye devam etti.
Marks, “Nesnelerin baskı altındayken ve bunu yapacak büyük bir nüfusa sahip olduklarında mutasyona uğrama yeteneklerini hafife alıyoruz” dedi. “Virüsler esnektir; sanki evrim geçirmek üzere evrimleşmişler gibi.”
Pandeminin ortaya çıkmasını izleyen Marks ve ekibi, yardım etmek için bir fırsat gördü: Viral değişkenleri tahmin etmek amacıyla EVE'yi, EVEscape adlı yeni bir araçla yeniden oluşturdular.
Virüsün işlevine müdahale etmeyecek viral proteinlerdeki mutasyonları tahmin edebilen EVE'den üretken modeli aldılar ve bağışıklık sistemi tarafından en kolay hedeflenen bölgeler hakkındaki bilgiler de dahil olmak üzere virüs hakkında biyolojik ve yapısal ayrıntılar eklediler.
Marks laboratuvarında eski bir araştırma görevlisi olan eş-baş yazar Nicole Thadani, “Bağışıklık sisteminin nasıl çalıştığına dair biyolojik bilgileri alıyoruz ve bunu virüsün daha geniş evrimsel geçmişinden öğrendiklerimiz üzerine katıyoruz” dedi.
Marks, böyle bir yaklaşımın EVEscape'in her türlü virüse kolayca uyarlanabilen esnek bir çerçeveye sahip olduğu anlamına geldiğini vurguladı.
Saati geri çevirmek
Yeni çalışmada ekip, zamanı, COVID-19 salgını başlamadan hemen öncesine, Ocak 2020'ye döndürdü. Daha sonra EVEscape'ten SARS-CoV-2'ye ne olacağını tahmin etmesini istediler.
“Sanki bir zaman makineniz varmış gibi. Birinci güne dönüyorsunuz ve diyorsunuz ki, elimde sadece bu veriler var, ne olduğunu söyleyeceğim?” Marks dedi.
Ayrıca EVEscape, pandemi ilerledikçe hangi antikor bazlı tedavilerin etkinliğini kaybedeceğini ve virüsün bu tedavilerden kaçmak için mutasyonlar geliştirmesini öngördü.
Araç aynı zamanda her hafta üretilen on binlerce yeni SARS-CoV-2 varyantını da tarayıp sorunlu hale gelme olasılığı en yüksek olanları tespit edebildi.
MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri programından Marks laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan eş-başkan yazar Sarah Gurev, “Yeni değişkenlerin tehdit düzeyini hızlı bir şekilde belirleyerek, halk sağlığı kararlarının daha erken alınmasına yardımcı olabiliriz” dedi.
Son adımda ekip, EVEscape'in HIV ve grip de dahil olmak üzere diğer yaygın virüslere genelleştirilebileceğini gösterdi.
Mutasyona dayanıklı aşı ve tedavilerin tasarlanması
Ekip artık EVEscape'i SARS-CoV-2'ye gerçek zamanlı olarak uyguluyor ve mevcut tüm bilgileri kullanarak onun bundan sonra nasıl gelişebileceğine dair tahminlerde bulunuyor.
Araştırmacılar, web sitelerinde iki haftada bir yeni SARS-CoV-2 varyantlarının sıralamasını yayınlıyor ve bu bilgiyi Dünya Sağlık Örgütü gibi kuruluşlarla paylaşıyor. EVEscape'in tam kodu çevrimiçi olarak da ücretsiz olarak mevcuttur.
Ayrıca EVEscape'i, haklarında nispeten az bilginin bulunduğu, pandemik potansiyeli olan iki patojen olan Lassa ve Nipah gibi yeterince araştırılmamış virüsler üzerinde de test ediyorlar.
EVEscape'in bir diğer önemli uygulaması da mevcut ve gelecekteki viral varyantlara karşı aşı ve tedavilerin değerlendirilmesi olacaktır. Bunu yapabilme yeteneği, bilim adamlarının bir virüsün edindiği kaçış mekanizmalarına dayanabilecek tedaviler tasarlamasına yardımcı olabilir.
Thadani, “Tarihsel olarak aşı ve tedavi tasarımı geriye dönük, yavaş ve belirli bir virüs hakkında bilinen kesin dizilere bağlıydı” dedi.
Marks laboratuvarında araştırma görevlisi olan Noor Youssef şunları ekledi: “Geleceğe yönelik aşıları ve tedavileri gerçekten nasıl tasarlayabileceğimizi bulmak istiyoruz.”
Ek yazarlar: Pascal Notin, Nathan Rollins, Daniel Ritter, Chris Sander ve Yarin Gal.
Açıklamalar: Marks, Dyno Therapeutics, Octant, Jura Bio, Tectonic Therapeutic ve Genentech şirketlerinin danışmanıdır ve Sismik Therapeutic'in kurucu ortağıdır. Sander, CytoReason Ltd'nin danışmanıdır.
Araştırmanın finansmanı Ulusal Sağlık Enstitüleri (GM141007-01A1), Salgın Hazırlık Yenilikleri Koalisyonu, Chan Zuckerberg Girişimi, GSK, Birleşik Krallık Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi ve Alan Turing Enstitüsü tarafından sağlandı.
Peki ya yeni viral varyantlar ortaya çıkmadan önce tahminlerde bulunmanın bir yolu olsaydı?
EVEscape adlı yeni bir yapay zeka aracı, Bilim Tıp Fakültesi ve Oxford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen teknoloji tam da bunu yapabilir.
Aracın iki unsuru var: Bir virüste meydana gelebilecek değişiklikleri tahmin eden bir evrimsel dizi modeli ve virüs hakkında ayrıntılı biyolojik ve yapısal bilgi. Birlikte, EVEscape'in virüs geliştikçe ortaya çıkma olasılığı en yüksek olan varyantlar hakkında tahminlerde bulunmasına olanak tanıyor.
Çarşamba günü Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, EVEscape'in eğer KOVİD-19 salgınının başlangıcında konuşlandırılmış olsaydı en sık görülen mutasyonları tahmin edeceğini ve SARS-CoV-2 için en endişe verici varyantları tanımlayacağını gösteriyor. Araç ayrıca HIV ve grip dahil diğer virüsler hakkında da doğru tahminlerde bulundu.
Araştırmacılar artık SARS-CoV-2'ye ileriye bakmak ve kaygının gelecekteki değişkenlerini tahmin etmek için EVEscape'i kullanıyor; her iki haftada bir yeni çeşitlerin sıralamasını yayınlıyorlar. Sonunda bu bilgi bilim adamlarının daha etkili aşılar ve tedaviler geliştirmesine yardımcı olabilir. Ekip ayrıca çalışmayı daha fazla virüsü kapsayacak şekilde genişletiyor.
Blavatnik Enstitüsü'nde sistem biyolojisi profesörü ve kıdemli yazar Debora Marks, “Virüslerdeki çeşitliliği tahmin edip edemeyeceğimizi ve yeni varyantları tahmin edip edemeyeceğimizi bilmek istiyoruz – çünkü eğer yapabilirsek, bu aşı ve tedavilerin tasarlanması açısından son derece önemli olacak” dedi. HMS'de.
EVE'den EVEscape'e
Araştırmacılar ilk olarak farklı bir bağlamda evrimsel değişken etki modelinin kısaltması olan EVE'yi geliştirdiler: insan hastalıklarına neden olan gen mutasyonları. EVE'nin özü, türler arasındaki büyük ölçekli evrimsel verilere dayanarak proteinlerin işlevselliğini tahmin etmeyi öğrenen üretken bir modeldir.
Önceki bir çalışmada EVE, araştırmacıların, kanserler ve kalp ritmi bozuklukları da dahil olmak üzere çeşitli durumlarda rol oynayan genlerdeki iyi huylu mutasyonlardan hastalığa neden olan şeyleri ayırt etmelerine olanak tanıdı.
Marks, “Bu üretken modelleri, evrimsel bilgilerden inanılmaz şeyler öğrenmek için kullanabilirsiniz; veriler, ortaya çıkarabileceğiniz gizli sırlara sahiptir” dedi.
COVID-19 salgını vurup ilerledikçe, dünya SARS-CoV-2'nin etkileyici gelişme yeteneği karşısında hazırlıksız yakalandı. Virüs, kendisini yenmek için tasarlanan aşıları ve tedavileri atlatmak için yapısını incelikli ve önemli bir şekilde değiştirerek şekil değiştirmeye devam etti.
Marks, “Nesnelerin baskı altındayken ve bunu yapacak büyük bir nüfusa sahip olduklarında mutasyona uğrama yeteneklerini hafife alıyoruz” dedi. “Virüsler esnektir; sanki evrim geçirmek üzere evrimleşmişler gibi.”
Pandeminin ortaya çıkmasını izleyen Marks ve ekibi, yardım etmek için bir fırsat gördü: Viral değişkenleri tahmin etmek amacıyla EVE'yi, EVEscape adlı yeni bir araçla yeniden oluşturdular.
Virüsün işlevine müdahale etmeyecek viral proteinlerdeki mutasyonları tahmin edebilen EVE'den üretken modeli aldılar ve bağışıklık sistemi tarafından en kolay hedeflenen bölgeler hakkındaki bilgiler de dahil olmak üzere virüs hakkında biyolojik ve yapısal ayrıntılar eklediler.
Marks laboratuvarında eski bir araştırma görevlisi olan eş-baş yazar Nicole Thadani, “Bağışıklık sisteminin nasıl çalıştığına dair biyolojik bilgileri alıyoruz ve bunu virüsün daha geniş evrimsel geçmişinden öğrendiklerimiz üzerine katıyoruz” dedi.
Marks, böyle bir yaklaşımın EVEscape'in her türlü virüse kolayca uyarlanabilen esnek bir çerçeveye sahip olduğu anlamına geldiğini vurguladı.
Saati geri çevirmek
Yeni çalışmada ekip, zamanı, COVID-19 salgını başlamadan hemen öncesine, Ocak 2020'ye döndürdü. Daha sonra EVEscape'ten SARS-CoV-2'ye ne olacağını tahmin etmesini istediler.
“Sanki bir zaman makineniz varmış gibi. Birinci güne dönüyorsunuz ve diyorsunuz ki, elimde sadece bu veriler var, ne olduğunu söyleyeceğim?” Marks dedi.
EVEscape, pandemi sırasında hangi SARS-CoV-2 mutasyonlarının meydana geleceğini, virüsün bağışıklık sistemi tarafından üretilen antikorlara bağlanma yeteneğini test eden deneysel yaklaşımlara benzer bir doğrulukla tahmin etti. EVEscape, bu mutasyonlardan hangisinin en yaygın olacağını tahmin etmede deneysel yaklaşımlardan daha iyi performans gösterdi. Daha da önemlisi, EVEscape, popülasyonda ilgili antikorların ortaya çıkmasını ve test için uygun hale gelmesini beklemesine gerek olmadığından tahminlerini laboratuvar bazlı testlerden daha hızlı ve verimli bir şekilde yapabildi.
Ayrıca EVEscape, pandemi ilerledikçe hangi antikor bazlı tedavilerin etkinliğini kaybedeceğini ve virüsün bu tedavilerden kaçmak için mutasyonlar geliştirmesini öngördü.
Araç aynı zamanda her hafta üretilen on binlerce yeni SARS-CoV-2 varyantını da tarayıp sorunlu hale gelme olasılığı en yüksek olanları tespit edebildi.
MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri programından Marks laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan eş-başkan yazar Sarah Gurev, “Yeni değişkenlerin tehdit düzeyini hızlı bir şekilde belirleyerek, halk sağlığı kararlarının daha erken alınmasına yardımcı olabiliriz” dedi.
Son adımda ekip, EVEscape'in HIV ve grip de dahil olmak üzere diğer yaygın virüslere genelleştirilebileceğini gösterdi.
Mutasyona dayanıklı aşı ve tedavilerin tasarlanması
Ekip artık EVEscape'i SARS-CoV-2'ye gerçek zamanlı olarak uyguluyor ve mevcut tüm bilgileri kullanarak onun bundan sonra nasıl gelişebileceğine dair tahminlerde bulunuyor.
Araştırmacılar, web sitelerinde iki haftada bir yeni SARS-CoV-2 varyantlarının sıralamasını yayınlıyor ve bu bilgiyi Dünya Sağlık Örgütü gibi kuruluşlarla paylaşıyor. EVEscape'in tam kodu çevrimiçi olarak da ücretsiz olarak mevcuttur.
Ayrıca EVEscape'i, haklarında nispeten az bilginin bulunduğu, pandemik potansiyeli olan iki patojen olan Lassa ve Nipah gibi yeterince araştırılmamış virüsler üzerinde de test ediyorlar.
Araştırmacılar, bu tür daha az çalışılmış virüslerin dünya çapında insan sağlığı üzerinde büyük bir etkiye sahip olabileceğini belirtti.
EVEscape'in bir diğer önemli uygulaması da mevcut ve gelecekteki viral varyantlara karşı aşı ve tedavilerin değerlendirilmesi olacaktır. Bunu yapabilme yeteneği, bilim adamlarının bir virüsün edindiği kaçış mekanizmalarına dayanabilecek tedaviler tasarlamasına yardımcı olabilir.
Thadani, “Tarihsel olarak aşı ve tedavi tasarımı geriye dönük, yavaş ve belirli bir virüs hakkında bilinen kesin dizilere bağlıydı” dedi.
Marks laboratuvarında araştırma görevlisi olan Noor Youssef şunları ekledi: “Geleceğe yönelik aşıları ve tedavileri gerçekten nasıl tasarlayabileceğimizi bulmak istiyoruz.”
Ek yazarlar: Pascal Notin, Nathan Rollins, Daniel Ritter, Chris Sander ve Yarin Gal.
Açıklamalar: Marks, Dyno Therapeutics, Octant, Jura Bio, Tectonic Therapeutic ve Genentech şirketlerinin danışmanıdır ve Sismik Therapeutic'in kurucu ortağıdır. Sander, CytoReason Ltd'nin danışmanıdır.
Araştırmanın finansmanı Ulusal Sağlık Enstitüleri (GM141007-01A1), Salgın Hazırlık Yenilikleri Koalisyonu, Chan Zuckerberg Girişimi, GSK, Birleşik Krallık Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi ve Alan Turing Enstitüsü tarafından sağlandı.