Umetna inteligenca (AI) pomaga preoblikovati družinsko drevo virusov. Uporaba predvidenih beljakovinskih struktur AlphaFold in tiste, ki jih navdihuje chatbot "Proteinski jezikovni modeli" so odkrili presenetljive povezave v družini virusov, ki vključuje patogene, ki okužijo ljudi, in nastajajoče grožnje.

Velik del razumevanja znanstvenikov o virusna evolucija temelji na primerjavi genomov. Vendar pa bliskovita evolucija virusov, zlasti tistih z genomi RNA, in njihova nagnjenost k pridobivanju genetskega materiala iz drugih organizmov kaže, da lahko genetska zaporedja skrivajo globlje in bolj oddaljene odnose med virusi, ki se lahko razlikujejo glede na gen, ki ga proučujemo.

Nasprotno pa se oblike ali strukture proteinov, ki jih kodirajo virusni geni, počasi spreminjajo, kar omogoča odkrivanje teh skritih evolucijskih povezav. Vendar do pojava orodij, kot je AlphaFold, ki lahko napove beljakovinske strukture v velikem obsegu, ni bilo mogoče primerjati beljakovinskih struktur v celotni družini virusov, pravi Joe Grove, molekularni virolog na Univerzi v Glasgowu v Veliki Britaniji.

V članku, objavljenem ta teden vNarava 1Grove in njegova ekipa prikazujeta moč pristopa, ki temelji na strukturi, do flavivirusov – skupine, ki vključuje viruse hepatitisa C, dengue in Zika ter več pomembnih živalskih patogenov in vrst, ki lahko predstavljajo nove nevarnosti za zdravje ljudi.

Kako vdrejo virusi

Razumevanje evolucije flavivirusa s strani raziskovalcev temelji predvsem na zaporedjih počasi razvijajočih se encimov, ki kopirajo njihov genetski material. Vendar pa je izjemno malo znanega o izvoru proteinov "virusnega vstopa", ki jih flavivirusi uporabljajo za vstop v celice in ki določajo gostitelja, ki ga lahko okužijo. Grove trdi, da bo ta vrzel v znanju ovirala razvoj učinkovitega cepiva proti Hepatitis C, ki vsako leto ubije na stotisoče ljudi.

"Na ravni zaporedja so stvari tako različne, da ne moremo reči, ali so povezane ali ne," pravi. "Preboj v napovedi strukture beljakovin odpira celotno vprašanje in stvari lahko vidimo precej jasno."

Raziskovalci so uporabili DeepMinds AlphaFold2 - model in ESMFold, a Struktura- Orodje za napovedovanje, ki ga je razvil tehnološki velikan Meta, da ustvari več kot 33.000 predvidenih struktur za proteine ​​iz 458 vrst flavivirusov. ESMFold temelji na jezikovnem modelu, usposobljenem z desetinami milijonov beljakovinskih zaporedij. Za razliko od AlphaFolda zahteva le eno vhodno zaporedje, namesto da bi se zanašal na več zaporedij podobnih proteinov, zaradi česar bi lahko bil še posebej uporaben za preučevanje najbolj skrivnostnih virusov.

Hepatitis C Virus E1 glycoprotein predicted using ColabFold-AlpahFold2.

Predvidene strukture so avtorjem omogočile identifikacijo virusnih vstopnih proteinov, katerih zaporedja se močno razlikujejo od zaporedij znanih flavivirusov. Našli so nekaj nepričakovanih povezav. Torej skupina virusov, ki vključuje hepatitis C, uporablja sistem za okužbo celic, podoben tistemu, ki so ga odkrili s pestivirusi – skupina, ki vključuje klasični virus prašičje gripe, ki povzroča hemoragično mrzlico pri prašičih, in druge živalske patogene.

Primerjave, ki jih poganja AI, so pokazale, da je ta vnosni sistem drugačen od sistemov mnogih drugih flavivirusov. "Za hepatitis C in njegove sorodnike ne vemo, od kod prihaja njihov vstopni sistem. Lahko bi ga izumili," pravi Grove.

Ukradejo bakterije

Predvidene strukture so tudi pokazale, da imajo dobro raziskani vhodni proteini virusov zika in denga enak izvor kot tisti iz "čudnih in čudovitih" flavivirusov z ogromnimi genomi, vključno z virusom klopov Haseki, ki lahko povzroči vročino pri ljudeh. Drugo veliko presenečenje je bilo odkritje, da imajo nekateri flavivirusi encim, za katerega se zdi, da je bil ukraden bakterijam.

"To bi bilo brez primere," pravi virologinja Mary Petrone z Univerze v Sydneyju v Avstraliji, če njena ekipa letos ne bi odkrila podobne kraje posebej "čudne in čudovite" vrste flavivirusa. 2. "Genetsko piratstvo je morda igralo večjo vlogo pri razvoju flavivirusov, kot se je prej mislilo," dodaja.

David Moi, računalniški biolog na Univerzi v Lausanni v Švici, pravi, da je študija o flavivirusu le vrh ledene gore in da bodo evolucijske zgodbe drugih virusov in celo nekaterih celičnih organizmov verjetno pripovedane z uporabo umetne inteligence. "Zdaj, ko lahko pogledamo dlje, je treba vse te stvari nekoliko posodobiti," pravi.