Neues KI-Tool könnte zukünftige Impfstoffe "variantensicher" machen, sagen Forscher

Ein neues KI-Tool, das virale Mutationen vorhersagt, könnte die Behandlung von COVID-19 - und der nächsten Pandemie - steuern.

Das System mit dem Namen EVEscape wurde an der Harvard Medical School und der Universität Oxford entwickelt. In Tests hat das System die besorgniserregendsten und häufigsten Varianten des SARS-CoV-2-Virus, die während der Pandemie auftraten, genau vorhergesagt.

Eine Studie, die letzte Woche in Nature veröffentlicht wurde, zeigt eine Reihe vielversprechender Ergebnisse. Die Vorhersagen von EVEscape erwiesen sich als genauer als experimentelle Ansätze und gleichzeitig als schneller und effizienter als laborbasierte Tests. Das Tool zeigte auch erfolgreich Therapien auf, die neue Varianten nur schwer unterdrücken könnten.

Die Vorhersagen sind bereits in die Pandemieüberwachung eingeflossen. Seit über einem Jahr veröffentlichen die Forscher alle zwei Wochen eine Rangliste der gefährlichsten neuen SARS-CoV-2-Stämme. Die Ergebnisse werden unter anderem an die Weltgesundheitsorganisation (WHO) weitergeleitet.

Jeden Monat tauchen immer noch Tausende neuer Stämme auf - zu viele, um sie experimentell zu testen. EVEscape ermöglicht es uns, den Bedrohungsgrad der neuen Stämme schnell zu bestimmen.

Notin und seine Kollegen haben EVEscape bereits erfolgreich zur Vorhersage von HIV- und Grippemutationen eingesetzt. Jetzt testen sie das Tool an weniger bekannten Erregern, die ebenfalls Pandemien auslösen könnten, wie Nipah und Lassa.

Für die Zukunft stellen sich die Forscher vor, dass EVEscape in die Entwicklung von Impfstoffen einfließt. Gegenwärtig werden Impfstoffe und Therapeutika rückwirkend gegen frühere Pandemiemutationen getestet.

EVEscape könnte zusätzliche Bewertungen darüber liefern, wohin sich das Virus als nächstes entwickeln könnte. Dies gibt Hoffnung auf eine wirksame neue Behandlung: variantensichere Impfstoffe.

Wie EVEscape Virusmutationen vorhersagt

Das neue Tool basiert auf einem generativen Modell namens EVE (Evolutionary model of Variant Effect).

Ursprünglich wurde EVE entwickelt, um das Risiko von genetischen Mutationen vorherzusagen, die menschliche Krankheiten wie Krebs verursachen. Als sich herausstellte, dass COVID-19 auf alarmierende Weise über die Grenzen der Behandlungsmöglichkeiten hinaus mutieren kann, passten die Forscher ihr Modell an SARS-CoV-2 an.

Generative Modelle haben einzigartige Stärken für diese Aufgabe. Ein wichtiger Aspekt bei der Vorhersage, welche Mutationen der Immunität entgehen, ist die Frage, ob sie die so genannte "Fitness" des viralen Proteins erhalten. Diese Fitness führt zu einem funktionalen Protein, das sich exprimiert, faltet und an den Rezeptor der Wirtszelle bindet. 

Generative Modelle, die auf evolutionäre Sequenzen trainiert wurden, sind sehr hilfreich bei der Unterstützung dieser Vorhersage.

Um die Vorhersagen zu treffen, wird EVE darauf trainiert, eine kompakte Darstellung bestimmter Proteinsequenzen zu lernen. Diese Sequenzen haben ihre Fitness über Tausende bis Millionen von Jahren der Evolution beibehalten.

Auf diese Weise muss es implizit die biochemischen Zwänge lernen, die funktionalen Sequenzen zugrunde liegen. Anschließend können wir dieses Verständnis nutzen, um vorherzusagen, ob neue mutierte Formen des Proteins - egal ob es sich um menschliche oder virale Proteine handelt - selbst funktionsfähig sein werden.

Der künftige Kampf der KI gegen Viren

Die Anpassungsfähigkeit von EVEscape ergibt sich aus seiner Einfachheit. Das Tool lernt aus einem Datensatz, der nur aus viralen Proteinsequenzen und deren Struktur besteht. Daher kann es bei jedem Virus und bereits zu Beginn einer Pandemie eingesetzt werden.

Dies ist eine große Verbesserung gegenüber Methoden, die in der Regel warten müssen, bis relevante Pandemie-Antikörper für Tests auf breiter Basis zur Verfügung stehen.

Ein weiterer Pluspunkt von EVEscape ist sein modularer Aufbau. Wenn leistungsfähigere generative Modelle auftauchen, können die aktuellen Modelle zur Fitnessvorhersage schnell ersetzt werden.

COVID-19 hat auch die Einsatzmöglichkeiten von EVEscape erweitert. Die Pandemie lieferte wichtige Erkenntnisse über KI-Vorhersagen - und einen immensen Datenpool.  Mit dieser Fülle an Informationen kann EVEscape überraschend genaue Vorhersagen über wenig untersuchte Viren machen, für die wir nur wenige Daten haben. Das könnte sich bei künftigen Ausbrüchen als äußerst wertvoll erweisen.