研究人员创建了一种名为EVE-Vax的人工智能工具，可以预测并设计未来可能出现的病毒蛋白。对于SARS-CoV-2，这些“设计”蛋白触发了与疫情期间实际出现的病毒蛋白相似的免疫反应。
有效的疫苗极大地改变了COVID-19疫情的进程，预防疾病、减轻病情严重程度并挽救了数百万人的生命。然而，五年后，SARS-CoV-2仍在传播，并在过程中演化成新的变种，需要更新疫苗来保护人们免受其害。
但是，设计、生产和分发新疫苗需要时间，这提出了一个重要问题：科学家如何为尚未出现的病毒变种开发疫苗？
一个解决方案来自哈佛医学院、马萨诸塞州病原体准备联盟（MassCPR）和其他机构的科学家团队开发的一种预测性人工智能模型EVE-Vax。该模型于5月8日在《免疫》杂志上进行了描述，它利用病毒的进化、生物和结构信息来预测和设计随着病原体突变而可能出现的表面蛋白。研究人员成功地将EVE-Vax应用于SARS-CoV-2，设计出的病毒蛋白引发了与COVID-19疫情期间实际演化的蛋白质相似的免疫反应。
这项研究部分得到了联邦资金的支持，表明该模型提供了关于病毒未来进化的宝贵信息，并可用于创建“设计”蛋白面板以评估未来疫苗的保护效果。研究人员希望该模型最终能帮助科学家开发更好的疫苗，以应对由快速变异病毒引起的病毒爆发和大流行。
“我们展示了如果你能够提前看到病毒的进化方向，你就可以开始制作未来的疫苗，”HMS Marks实验室预测建模疫苗设计组的科学负责人Noor Youssef说。
EVE的演变
十多年前，研究共同资深作者、哈佛医学院Blavatnik研究所系统生物学教授Debora Marks及其实验室开始探索是否可以使用数百万年的进化遗传信息来预测蛋白质的结构和功能。
在2021年的一篇论文中，研究人员描述了他们基于这一想法创建的一种人工智能模型。该模型称为EVE（进化变异效应模型），利用跨物种的大规模进化数据来预测蛋白质是否会具有功能。当应用于人类时，EVE能够将基因变异解释为良性或致病性。
随着COVID-19疫情的发展，Marks及其团队将其模型适应于预测病毒行为。他们建立了EVEscape，将EVE的蛋白质预测能力应用于病毒蛋白质。在2023年的一篇论文中，科学家们展示了如果EVEscape在COVID-19疫情初期就存在，它将能够预测最常见的SARS-CoV-2突变，并发现最有可能导致人类感染激增的令人担忧的变种。
EVEscape的成功使研究人员想知道他们的模型是否也能预测像SARS-CoV-2这样快速进化的病毒的未来进化。这类病毒的疫苗每年都会更新，这要求科学家提前一年对病毒蛋白的进化进行有根据的猜测。这可能导致用于设计疫苗的预测病毒版本与实际传播的版本不匹配，从而导致疫苗的效果不如预期。
为了解决这个问题，研究人员开发了EVE-Vax，这是一种预测和设计病毒蛋白的模型，可以提前为疫苗开发提供信息。“我们想看看是否可以使用我们的方法创造全新的蛋白质，这些蛋白质不仅具有功能性，还能引发与真实病毒相同的免疫反应，”Youssef说。
预测SARS-CoV-2的未来动向
在最新的研究中，科学家们使用EVE-Vax设计了83个全新的SARS-CoV-2“刺突”蛋白版本，这是病毒用来感染人体细胞的主要表面蛋白。每个新的刺突蛋白版本都具有不同的多达十个突变的组合。
为了测试AI设计的蛋白质的效果，研究人员与实验同事合作，包括UMass Chan医学院分子医学教授Jeremy Luban、麻省总医院HMS助理教授Jacob Lemieux以及Beth Israel Deaconess医疗中心HMS副教授Michael Seaman。科学家们在实验室培养皿中使用安全的非复制型SARS-CoV-2进行了实验。实验确认，携带“设计”刺突蛋白的病毒能够感染人体细胞，并且引发的免疫反应与COVID-19疫情期间五个不同时间点的真实免疫反应大致匹配。
“这里的基本见解是，进化告诉你病毒及其蛋白质可能做什么以及未来可能发生什么，”Marks说。
最后，研究人员展示了他们可以轻松且廉价地工程化数百种新的刺突蛋白，这些蛋白可以很容易地纳入SARS-CoV-2疫苗的开发中。
“传统的疫苗设计使用各种不同的方法，但没有人以前使用过这种方法，”Marks说。“EVE-Vax开辟了一个新的疫苗潜在应用和设计领域。”
例如，研究人员展示了通过EVE-Vax，他们可以预测到针对奥密克戎变种的COVID-19加强针疫苗会有相当大的免疫逃逸——这种知识会让科学家们以不同的方式构建加强针。
“通过EVE-Vax，我们可以预测免疫反应，而不仅仅是病毒上的突变，这在现实世界情况下更有用，”Marks说。
目前，研究团队正在将EVE-Vax扩展到其他病毒，包括禽流感，这是一个在美国和全球范围内日益严重的问题。研究人员指出，该模型的一个关键优势是它可以使用有限的信息工作，这为研究不足的病毒如拉萨热病毒和尼帕病毒，以及新出现的病毒打开了大门。
最终，研究团队希望EVE-Vax能为科学家提供关于病毒可能进化的各种方式的关键信息，使他们能够设计出保护未来版本病原体的疫苗。
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