Προέλευση των ιών: Το AlphaFold και η τεχνητή νοημοσύνη δίνουν απαντήσεις

Η τεχνητή νοημοσύνη (AI) βοηθά στην εκ νέου σχεδίαση του γενεαλογικού δέντρου των ιών. Προβλεπόμενες δομές πρωτεΐνης χρησιμοποιώντας AlphaFold και εμπνευσμένα από chatbot "Μοντέλα γλώσσας πρωτεΐνης" έχουν αποκαλύψει εκπληκτικές συνδέσεις σε μια οικογένεια ιών που περιλαμβάνει παθογόνα που μολύνουν τον άνθρωπο και αναδυόμενες απειλές.

Ένα μεγάλο μέρος της κατανόησης των επιστημόνων για εξέλιξη του ιού βασίζεται στη σύγκριση γονιδιωμάτων. Ωστόσο, η αστραπιαία εξέλιξη των ιών, ιδιαίτερα αυτών με γονιδιώματα RNA, και η τάση τους να αποκτούν γενετικό υλικό από άλλους οργανισμούς δείχνει ότι οι γενετικές αλληλουχίες μπορούν να κρύψουν βαθύτερες και πιο μακρινές σχέσεις μεταξύ των ιών, οι οποίες μπορεί να ποικίλλουν ανάλογα με το γονίδιο που μελετάται.

Αντίθετα, τα σχήματα ή οι δομές των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από ιικά γονίδια τείνουν να αλλάζουν αργά, καθιστώντας δυνατή την ανίχνευση αυτών των κρυμμένων εξελικτικών συνδέσεων. Ωστόσο, μέχρι την εμφάνιση εργαλείων όπως το AlphaFold, τα οποία μπορούν να προβλέψουν τις πρωτεϊνικές δομές σε μεγάλη κλίμακα, δεν ήταν δυνατή η σύγκριση των πρωτεϊνικών δομών σε μια ολόκληρη οικογένεια ιών, λέει ο Joe Grove, μοριακός ιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, Ηνωμένο Βασίλειο.

Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στοΦύση ¹Ο Γκρόουβ και η ομάδα του επιδεικνύουν τη δύναμη μιας προσέγγισης βασισμένης στη δομή για τους φλαβοϊούς - μια ομάδα που περιλαμβάνει τους ιούς ηπατίτιδας C, δάγκειου πυρετού και Ζίκα, καθώς και πολλά σημαντικά ζωικά παθογόνα και είδη που ενδέχεται να αποτελούν αναδυόμενες απειλές για την ανθρώπινη υγεία.

Πώς εισβάλλουν οι ιοί

Η κατανόηση των ερευνητών για την εξέλιξη του φλαβοϊού βασίζεται κυρίως σε αλληλουχίες αργά εξελισσόμενων ενζύμων που αντιγράφουν το γενετικό τους υλικό. Ωστόσο, αξιοσημείωτα λίγα είναι γνωστά για την προέλευση των πρωτεϊνών «εισόδου ιού» που χρησιμοποιούν οι φλαβοϊοί για να εισέλθουν στα κύτταρα και που καθορίζουν τον ξενιστή που μπορούν να μολύνουν. Ο Grove υποστηρίζει ότι αυτό το κενό γνώσης θα εμποδίσει την ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού εμβολίου κατά Ηπατίτιδα C, που σκοτώνει εκατοντάδες χιλιάδες ανθρώπους κάθε χρόνο.

«Σε επίπεδο σειράς, τα πράγματα είναι τόσο αποκλίνοντα που δεν μπορούμε να πούμε αν σχετίζονται ή όχι», λέει. «Η ανακάλυψη στην πρόβλεψη της δομής των πρωτεϊνών ανοίγει ολόκληρο το ερώτημα και μπορούμε να δούμε τα πράγματα αρκετά καθαρά».

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν DeepMinds AlphaFold2 -μοντέλο και ESMFold, α Δομή- Εργαλείο πρόβλεψης που αναπτύχθηκε από τον τεχνολογικό γίγαντα Meta, για τη δημιουργία περισσότερων από 33.000 προβλεπόμενων δομών για πρωτεΐνες από 458 είδη φλαβοϊών. Το ESMFold βασίζεται σε ένα μοντέλο γλώσσας εκπαιδευμένο με δεκάδες εκατομμύρια αλληλουχίες πρωτεϊνών. Σε αντίθεση με το AlphaFold, απαιτεί μόνο μία ακολουθία εισαγωγής αντί να βασίζεται σε πολλαπλές αλληλουχίες παρόμοιων πρωτεϊνών, κάτι που θα μπορούσε να το κάνει ιδιαίτερα χρήσιμο για τη μελέτη των πιο μυστηριωδών ιών.

Οι προβλεπόμενες δομές επέτρεψαν στους συγγραφείς να αναγνωρίσουν πρωτεΐνες εισόδου ιού των οποίων οι αλληλουχίες διαφέρουν πολύ από αυτές των γνωστών φλαβοϊών. Βρήκαν κάποιες απροσδόκητες συνδέσεις. Έτσι, η ομάδα ιών που περιλαμβάνει την ηπατίτιδα C χρησιμοποιεί ένα σύστημα για να μολύνει κύτταρα παρόμοιο με αυτό που ανακάλυψαν με τους λοιμοϊούς - μια ομάδα που περιλαμβάνει τον κλασικό ιό της γρίπης των χοίρων, ο οποίος προκαλεί αιμορραγικό πυρετό στους χοίρους και άλλα παθογόνα ζώα.

Οι συγκρίσεις με τεχνητή νοημοσύνη έδειξαν ότι αυτό το σύστημα εισόδου είναι διαφορετικό από αυτό πολλών άλλων φλαβοϊών. "Για την ηπατίτιδα C και τους συγγενείς της, δεν γνωρίζουμε από πού προέρχεται το σύστημα εισόδου τους. Θα μπορούσε να είχε εφευρεθεί", λέει ο Grove.

Κλάπηκε από βακτήρια

Οι προβλεπόμενες δομές έδειξαν επίσης ότι οι καλά μελετημένες πρωτεΐνες εισόδου του ιού Ζίκα και του δάγκειου πυρετού έχουν την ίδια προέλευση με εκείνες των «περίεργων και θαυμάσιων» φλαβοϊών με τεράστια γονιδιώματα, συμπεριλαμβανομένου του ιού τσιμπουριού Haseki, που μπορεί να προκαλέσει πυρετό στους ανθρώπους. Μια άλλη μεγάλη έκπληξη ήταν η ανακάλυψη ότι ορισμένοι φλαβοϊοί διαθέτουν ένα ένζυμο που φαίνεται να έχει κλαπεί από βακτήρια.

«Αυτό θα ήταν άνευ προηγουμένου», λέει η ιολόγος Mary Petrone από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ της Αυστραλίας, αν δεν ανακάλυπτε φέτος η ομάδα της μια παρόμοια κλοπή ενός ιδιαίτερα «περίεργου και υπέροχου» είδους φλαβοϊού. ². «Η γενετική πειρατεία μπορεί να έπαιξε μεγαλύτερο ρόλο στην εξέλιξη των φλαβοϊών από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως», προσθέτει.

Ο Ντέιβιντ Μόι, υπολογιστικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης, στην Ελβετία, λέει ότι η μελέτη για τον φλαβοϊό είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου και ότι οι εξελικτικές ιστορίες άλλων ιών και ακόμη και ορισμένων κυτταρικών οργανισμών είναι πιθανό να ξαναδιηγηθούν χρησιμοποιώντας τεχνητή νοημοσύνη. «Τώρα που μπορούμε να ρίξουμε μια ματιά παρακάτω, όλα αυτά τα πράγματα πρέπει να ενημερωθούν λίγο», λέει.