Umelá inteligencia (AI) pomáha prekresliť rodokmeň vírusov. Predpokladané proteínové štruktúry pomocou AlphaFold a inšpirované chatbotmi "Proteínové jazykové modely" odhalili prekvapivé súvislosti v rodine vírusov, ktorá zahŕňa patogény infikujúce ľudí a vznikajúce hrozby.

Veľká časť chápania vedcov o vírusová evolúcia je založená na porovnávaní genómov. Bleskurýchly vývoj vírusov, najmä tých s RNA genómami, a ich sklon k získavaniu genetického materiálu z iných organizmov však ukazuje, že genetické sekvencie môžu skrývať hlbšie a vzdialenejšie vzťahy medzi vírusmi, ktoré sa môžu líšiť v závislosti od skúmaného génu.

Naproti tomu tvary alebo štruktúry proteínov kódovaných vírusovými génmi majú tendenciu meniť sa pomaly, čo umožňuje odhaliť tieto skryté evolučné spojenia. Avšak až do príchodu nástrojov ako AlphaFold, ktoré dokážu predpovedať proteínové štruktúry vo veľkom meradle, nebolo možné porovnávať proteínové štruktúry v celej rodine vírusov, hovorí Joe Grove, molekulárny virológ na University of Glasgow, UK.

V článku uverejnenom tento týždeň vPríroda 1Grove a jeho tím demonštrujú silu štruktúrneho prístupu k flavivírusom - skupine, ktorá zahŕňa vírusy hepatitídy C, dengue a Zika, ako aj niekoľko dôležitých živočíšnych patogénov a druhov, ktoré môžu predstavovať nové hrozby pre ľudské zdravie.

Ako vírusy napadajú

Pochopenie evolúcie flavivírusov výskumníkmi je založené predovšetkým na sekvenciách pomaly sa vyvíjajúcich enzýmov, ktoré kopírujú ich genetický materiál. O pôvode proteínov „vstupujúcich do vírusu“, ktoré flavivírusy používajú na vstup do buniek a ktoré určujú hostiteľa, ktorého môžu infikovať, je však známe pozoruhodne málo. Grove tvrdí, že táto vedomostná medzera bude brániť vývoju účinnej vakcíny proti Hepatitída C, ktorá každoročne zabíja státisíce ľudí.

"Na sekvenčnej úrovni sú veci také odlišné, že nemôžeme povedať, či spolu súvisia alebo nie," hovorí. "Prelom v predpovedi proteínovej štruktúry otvára celú otázku a vidíme veci celkom jasne."

Výskumníci použili DeepMinds AlphaFold2 -model a Spoločnosť ESMFold, a Štruktúra- Predikčný nástroj vyvinutý technologickým gigantom Meta, aby sa vytvorilo viac ako 33 000 predpovedaných štruktúr pre proteíny zo 458 druhov flavivírusov. ESMFold je založený na jazykovom modeli trénovanom desiatkami miliónov proteínových sekvencií. Na rozdiel od AlphaFold vyžaduje iba jednu vstupnú sekvenciu a nie spoliehanie sa na viacero sekvencií podobných proteínov, čo by mohlo byť obzvlášť užitočné pri štúdiu najzáhadnejších vírusov.

Hepatitis C Virus E1 glycoprotein predicted using ColabFold-AlpahFold2.

Predpovedané štruktúry umožnili autorom identifikovať vstupné vírusové proteíny, ktorých sekvencie sa značne líšia od sekvencií známych flavivírusov. Našli nečakané súvislosti. Takže skupina vírusov, ktorá zahŕňa hepatitídu C, používa systém na infikovanie buniek podobný tomu, ktorý objavili pestivírusmi - skupinu, ktorá zahŕňa klasický vírus prasacej chrípky, ktorý spôsobuje hemoragickú horúčku u ošípaných, a iné zvieracie patogény.

Porovnania poháňané AI ukázali, že tento vstupný systém sa líši od systému mnohých iných flavivírusov. "V prípade hepatitídy C a jej príbuzných nevieme, odkiaľ pochádza ich vstupný systém. Mohol byť vynájdený," hovorí Grove.

Ukradnuté baktériami

Predpovedané štruktúry tiež ukázali, že dobre preštudované vstupné proteíny vírusov Zika a dengue majú rovnaký pôvod ako proteíny „čudných a úžasných“ flavivírusov s obrovskými genómami, vrátane vírusu kliešťov Haseki, ktorý môže u ľudí spôsobiť horúčku. Ďalším veľkým prekvapením bolo zistenie, že niektoré flavivírusy majú enzým, ktorý sa zdá byť ukradnutý baktériám.

"Bolo by to bezprecedentné," hovorí virologička Mary Petrone z University of Sydney v Austrálii, keby jej tím tento rok neobjavil podobnú krádež obzvlášť "čudného a úžasného" druhu flavivírusu. 2. "Genetické pirátstvo mohlo zohrať väčšiu úlohu vo vývoji flavivírusov, ako sa predtým myslelo," dodáva.

David Moi, výpočtový biológ na univerzite v Lausanne vo Švajčiarsku, hovorí, že štúdia o flavivírusoch je len špičkou ľadovca a že evolučné príbehy iných vírusov a dokonca aj niektorých bunkových organizmov budú pravdepodobne prerozprávané pomocou AI. „Teraz, keď sa môžeme pozrieť ďalej, je potrebné, aby sa všetky tieto veci trochu aktualizovali,“ hovorí.