Sztuczna inteligencja (AI) pomaga przerysować drzewo genealogiczne wirusów. Przewidywane struktury białek przy użyciu AlphaFold i te inspirowane chatbotem „Modele języka białkowego” odkryli zaskakujące powiązania w rodzinie wirusów obejmującej patogeny infekujące ludzi i pojawiające się zagrożenia.

Duża część wiedzy naukowców na temat ewolucja wirusa opiera się na porównaniu genomów. Jednak błyskawiczna ewolucja wirusów, szczególnie tych z genomem RNA, i ich skłonność do pozyskiwania materiału genetycznego od innych organizmów pokazuje, że sekwencje genetyczne mogą ukrywać głębsze i bardziej odległe powiązania między wirusami, które mogą się różnić w zależności od badanego genu.

Natomiast kształty lub struktury białek kodowanych przez geny wirusowe mają tendencję do powolnych zmian, co umożliwia wykrycie tych ukrytych powiązań ewolucyjnych. Jednak do czasu pojawienia się narzędzi takich jak AlphaFold, które umożliwiają przewidywanie struktur białek na dużą skalę, porównywanie struktur białek w całej rodzinie wirusów nie było możliwe, mówi Joe Grove, wirusolog molekularny na Uniwersytecie w Glasgow w Wielkiej Brytanii.

W artykule opublikowanym w tym tygodniu wNatura 1Grove i jego zespół demonstrują skuteczność podejścia opartego na strukturze do flawiwirusów – grupy obejmującej wirusy zapalenia wątroby typu C, dengi i Zika, a także kilka ważnych patogenów i gatunków zwierząt, które mogą stwarzać pojawiające się zagrożenia dla zdrowia ludzkiego.

Jak atakują wirusy

Zrozumienie przez naukowców ewolucji flawiwirusów opiera się przede wszystkim na sekwencjach wolno ewoluujących enzymów, które kopiują ich materiał genetyczny. Jednak niezwykle niewiele wiadomo na temat pochodzenia białek „wnikania wirusa”, których flawiwirusy używają do wnikania do komórek i które określają żywiciela, którego mogą zainfekować. Grove argumentuje, że ta luka w wiedzy utrudni opracowanie skutecznej szczepionki przeciwko tej chorobie Wirusowe zapalenie wątroby typu C, która co roku zabija setki tysięcy ludzi.

„Na poziomie sekwencji rzeczy są tak rozbieżne, że nie możemy powiedzieć, czy są ze sobą powiązane, czy nie” – mówi. „Przełom w przewidywaniu struktury białek otwiera całe pytanie i widzimy wszystko całkiem wyraźnie”.

Naukowcy wykorzystali Głębokie Umysły AlphaFold2 -model i ESMFold, a Struktura- Narzędzie prognozujące opracowane przez technologicznego giganta Meta w celu wygenerowania ponad 33 000 przewidywanych struktur białek z 458 gatunków flawiwirusów. ESMFold opiera się na modelu języka wyszkolonym za pomocą dziesiątek milionów sekwencji białkowych. W przeciwieństwie do AlphaFold wymaga tylko jednej sekwencji wejściowej, a nie wielu sekwencji podobnych białek, co może uczynić go szczególnie przydatnym do badania najbardziej tajemniczych wirusów.

Hepatitis C Virus E1 glycoprotein predicted using ColabFold-AlpahFold2.

Przewidywane struktury pozwoliły autorom zidentyfikować wirusowe białka wejściowe, których sekwencje znacznie różnią się od sekwencji znanych flawiwirusów. Znaleźli nieoczekiwane powiązania. Zatem grupa wirusów obejmująca wirusowe zapalenie wątroby typu C wykorzystuje system do infekowania komórek podobny do tego, który odkryli w przypadku pestiwirusów – grupy obejmującej klasyczny wirus świńskiej grypy, wywołujący gorączkę krwotoczną u świń, oraz inne patogeny zwierzęce.

Porównania oparte na sztucznej inteligencji wykazały, że ten system wejściowy różni się od systemu wielu innych flawiwirusów. „W przypadku wirusowego zapalenia wątroby typu C i jego krewnych nie wiemy, skąd pochodzi system przedostawania się wirusa. Można go było wynaleźć” – mówi Grove.

Skradziony przez bakterie

Przewidywane struktury wykazały również, że dobrze zbadane białka wejściowe wirusów Zika i dengi mają to samo pochodzenie, co białka „dziwnych i cudownych” flawiwirusów o ogromnych genomach, w tym wirusa kleszczy Haseki, który może powodować gorączkę u ludzi. Kolejną wielką niespodzianką było odkrycie, że niektóre flawiwirusy posiadają enzym, który prawdopodobnie został skradziony bakteriom.

„Byłoby to bezprecedensowe” – mówi wirusolog Mary Petrone z Uniwersytetu w Sydney w Australii, gdyby nie odkrycie przez jej zespół w tym roku podobnej kradzieży szczególnie „dziwnego i cudownego” gatunku flawiwirusa 2. „Piractwo genetyczne mogło odegrać większą rolę w ewolucji flawiwirusów, niż wcześniej sądzono” – dodaje.

David Moi, biolog obliczeniowy na Uniwersytecie w Lozannie w Szwajcarii, twierdzi, że badania nad flawiwirusami to dopiero wierzchołek góry lodowej i że historie ewolucyjne innych wirusów, a nawet niektórych organizmów komórkowych prawdopodobnie zostaną powtórzone przy użyciu sztucznej inteligencji. „Teraz, gdy możemy przyjrzeć się bliżej, wszystkie te rzeczy wymagają niewielkiej aktualizacji” – mówi.