پیش بینی جهش ویروسی با مدل جدیدی مبتنی بر هوش مصنوعی دانشگاه MIT

محققان MIT روش جدیدی برای مدل محاسباتی پیش بینی جهش ویروسی توسعه داده‌اند. این مطالعه که در مجله Science منتشر شده است، می‌تواند تولید واکسن برای ویروس HIV، آنفلوانزا و ویروس کرونا را سرعت بخشد.

هر پستانداری در این سیاره توانایی این را دارد که به طور غریزی با محیط اطراف خود به یک تعادل طبیعی برسد، اما انسان نمی‌تواند. انسان‌ها به یک منطقه نقل مکان می‌کنند و آنقدر زاد و ولد می‌کنند تا تمامی منابع طبیعی را مصرف کنند و سپس تنها راهی که پیش روی انسان وجود دارد تا بقای خود را حفط کند گسترش مناطق خود و رفتن به یک جای دیگر است. یک موجود زنده دیگر نیز در این کره خاکی وجود دارد که همین کار را انجام می‌دهد. می‌دانید در مورد چه چیزی صحبت می‌کنیم؟ بله ویروس‌ها. این‌ها دیالوگ مامور اسمیت در فیلم ماتریکس است.

از زمان‌های گذشته، ویروس‌ها اصلی‌ترین الهه انتقام انسان‌ها بوده‌اند. اگرچه انسان‌ها برای جان به در بردن از این موجود کوچک و خطرناک توانسته‌اند واکسن بسازند، اما ویروس‌ها همیشه در این بازی راهی پیدا کرده‌اند تا ما را شکست دهند.

به گفته بانی برگر رئیس گروه محاسبات و زیست‌شناسی در آزمایشگاه علوم رایانه‌ای و هوش مصنوعی MIT، جهش ویروسی یکی از دلایل موانع تولید واکسن برای ویروس آنفلوانزا و اچ آی وی است. در مقاله پیش رو سعی می‌کنیم بفهمیم چگونه محققان این مدل را برای پیش بینی جهش ویروسی آموزش داده‌اند و چگونه این موضوع چگونه می‌تواند توسعه واکسن را تسهیل کند.

این مدل چگونه کار می‌کند؟

این مدل می‌تواند مقاطعی از پروتئین‌های سطح ویروسی را که احتمال کمتری دارد جهش کنند پیش‌بینی کند تا اگر قرار است واکسنی توسعه داده شود از آن قسمت‌ها استفاده شود. محققان از یک الگوریتم یادگیری ماشین که در اصل برای پردازش زبان طبیعی انسان ساخته شده بود به‌منظور پیش بینی رفتار ویروس استفاده کردند. محققان کشف کردند که این مدل پردازش زبان طبیعی می‌تواند در توالی‌های ژنتیکی اعمال شود. در اینجا، دستور زبان نقشی مشابه قوانینی دارد که تعیین می‌کند پروتئین رمزگذاری شده در یک توالی خاص عملکردی است یا خیر. در واقع به این معنا است که آیا پروتئین می‌تواند شکل جدیدی برای فرار از آنتی بادی ها به خود بگیرد یا نه. درواقع در یک جهش، ویروس می‌خواهد سالم بماند. به عبارت دیگر، دستورالعمل ویروس حفظ می‌شود در حالی که ساختار پروتئین به روشی مفید تغییر خواهد کرد.

طبق بیانیه مطبوعاتی MIT، محققان این مدل پردازش زبان طبیعی را در 60،000 توالی HIV ، 45،000 توالی آنفلوانزا و 4000 توالی ویروس کرونا آموزش دادند تا توالی‌های ژنتیکی دستوری و معنایی آن را تجزیه و تحلیل کنند. مدل آموزش دیده توالی‌هایی را که احتمال جهش در آنها بالا است پیش‌بینی می‌کند. این مدل، توالی را در سه پروتئین پیش بینی می‌کند: پروتئین spike ویروس کرونا، پروتئین envelope اچ آی وی و پروتئین hemagglutinin آنفلوانزا.

یافته‌ها نشان داد توالی‌های موجود در پروتئین hemagglutinin آنفلوانزا کمترین احتمال جهش را داشتند. آنتی‌بادی‌های هدف می‌توانند پایه این پروتپین را به سرعت از بین ببرند تا از آنفلوانزا جلوگیری کنند.

همچنین در ویروس کرونا، قسمت زیر واحد -2 یا S2 پروتئین spike کمترین احتمال ایجاد جهش را دارد. این حال، برخلاف آنفلوانزا و اچ آی وی، ما نمی‌دانیم سرعت جهش‌ها در ویروس کرونا چقدر است و آیا واکسن فعلی جوابگو است یا نه. در حالی که یافته‌های اولیه نشان می‌داد جهش‌ها از سرعت زیادی برخوردار نیستند، با این حال جهش‌های جدیدی در سنگاپور، آفریقای جنوبی و مالزی ظاهر شده‌اند. دانشمندان از مدل پردازش زبان طبیعی برای نوع جهش یافته استفاده کرده‌اند و همزمان تحقیقات در انتظار داوری هستند. در ویروس اچ آی وی نیز، دانشمندان دریافتند که قسمت های V1-V2 از پروتئین envelope، احتمال زیادی برای جهش کردن دارد.

چشم انداز

پیش‌بینی جهش ویروسی می‌تواند به سرعت در شناسایی پروتئین‌های خطرناکی که باید هدف قرار بگیرند کمک کند. این مدل فرصت‌های بی‌نظیری را برای توسعه دارو در همه بیماری‌ها به وجود می‌آورد. اکنون محققان در MIT در حال شناسایی اهداف احتمالی برای واکسن سرطان هستند، واکسنی که سیستم ایمنی را تحریک می‌کند تا تومورها را از بین ببرد.

انواع کاربردهای هوش مصنوعی در صنایع مختلف را در هوشیو بخوانید.