Uma ferramenta de IA que pode ajudar a prever surtos virais

A pandemia de COVID-19 parecia um desfile interminável de variantes do SARS-CoV-2, cada uma equipada com novas maneiras de evadir o sistema imunológico, deixando o mundo se preparando para o que viria a seguir. Mas e se houvesse uma maneira de fazer previsões sobre novas variantes virais antes que elas realmente surgissem?

Uma nova ferramenta de inteligência artificial chamada EVEscape, desenvolvida por pesquisadores da Harvard Medical School e da Universidade de Oxford, pode fazer exatamente isso.

A ferramenta é composta por dois elementos: um modelo de sequências evolutivas que prevê as mudanças que podem ocorrer em um vírus e informações biológicas e estruturais detalhadas sobre o vírus. Juntos, eles permitem que o EVEscape faça previsões sobre as variantes mais prováveis de ocorrer à medida que o vírus evolui.

Em um estudo publicado em 11 de outubro na revista Nature, os pesquisadores demonstram que, se tivesse sido implantado no início da pandemia de COVID-19, o EVEscape teria previsto as mutações mais frequentes e identificado as variantes mais preocupantes do SARS-CoV-2. A ferramenta também fez previsões precisas sobre outros vírus, incluindo o HIV e a gripe.

Os pesquisadores estão agora usando o EVEscape para olhar para o futuro do SARS-CoV-2 e prever futuras variantes de preocupação; a cada duas semanas, eles lançam uma classificação de novas variantes. Eventualmente, essas informações poderiam ajudar os cientistas a desenvolver vacinas e terapias mais eficazes. A equipe também está ampliando o trabalho para incluir mais vírus.

"Queremos saber se podemos antecipar a variação em vírus e prever novas variantes - porque se conseguirmos, isso será extremamente importante para o desenvolvimento de vacinas e terapias", disse a autora sênior Debora Marks, professora de biologia de sistemas no Instituto Blavatnik na Harvard Medical School (HMS).

Os pesquisadores inicialmente desenvolveram o EVE, abreviação de modelo evolutivo de efeito de variante, em um contexto diferente: mutações genéticas que causam doenças em seres humanos. O cerne do EVE é um modelo generativo que aprende a prever a funcionalidade de proteínas com base em dados evolutivos em grande escala em várias espécies.

Em um estudo anterior, o EVE permitiu aos pesquisadores distinguir mutações causadoras de doenças das benignas em genes relacionados a várias condições, incluindo cânceres e distúrbios do ritmo cardíaco.

"Você pode usar esses modelos generativos para aprender coisas incríveis a partir de informações evolutivas - os dados têm segredos ocultos que você pode revelar", disse Marks.

Conforme a pandemia de COVID-19 avançava, o mundo foi pego de surpresa pela impressionante capacidade do SARS-CoV-2 de evoluir. O vírus continuava a se transformar, alterando sua estrutura de maneiras sutis e substanciais para escapar das vacinas e terapias projetadas para combatê-lo.

"Subestimamos a capacidade das coisas de sofrer mutações quando estão sob pressão e têm uma grande população na qual fazê-lo", disse Marks. "Os vírus são flexíveis - é quase como se tivessem evoluído para evoluir."

Observando o desenrolar da pandemia, Marks e sua equipe viram uma oportunidade de ajudar: eles reconstruíram o EVE em uma nova ferramenta chamada EVEscape com o objetivo de prever as variantes virais.

Eles pegaram o modelo generativo do EVE - que pode prever mutações em proteínas virais que não interferirão na função do vírus - e adicionaram detalhes biológicos e estruturais sobre o vírus, incluindo informações sobre as regiões mais facilmente visadas pelo sistema imunológico.

"Estamos pegando informações biológicas sobre como o sistema imunológico funciona e as sobrepondo às nossas descobertas na história evolutiva mais ampla do vírus", explicou a co-autora Nicole Thadani, ex-pesquisadora do laboratório de Marks.

No novo estudo, a equipe retrocedeu até janeiro de 2020, logo antes do início da pandemia de COVID-19. Em seguida, eles pediram ao EVEscape para prever o que aconteceria com o SARS-CoV-2.

"É como se você tivesse uma máquina do tempo. Você volta ao dia um e pergunta: 'Eu só tenho esses dados, o que vou dizer que está acontecendo?'", disse Marks.

O EVEscape previu quais mutações do SARS-CoV-2 ocorreriam durante a pandemia com uma precisão semelhante à das abordagens experimentais que testam a capacidade do vírus de se ligar a anticorpos produzidos pelo sistema imunológico. O EVEscape superou as abordagens experimentais na previsão de quais dessas mutações seriam mais prevalentes. Mais importante, o EVEscape conseguia fazer suas previsões de forma mais rápida e eficiente do que os testes de laboratório, pois não precisava esperar que anticorpos relevantes surgissem na população e ficassem disponíveis para testes.

Além disso, o EVEscape previu quais terapias baseadas em anticorpos perderiam sua eficácia à medida que a pandemia avançava e o vírus desenvolvia mutações para escapar desses tratamentos.

A ferramenta também foi capaz de vasculhar dezenas de milhares de novas variantes do SARS-CoV-2 produzidas a cada semana e identificar aquelas mais propensas a se tornarem problemáticas.

"Ao determinar rapidamente o nível de ameaça das novas variantes, podemos ajudar a informar decisões mais precoces em saúde pública", disse a co-autora Sarah Gurev, aluna de pós-graduação no laboratório de Marks no programa de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT.

Em um passo final, a equipe demonstrou que o EVEscape poderia ser generalizado para outros vírus comuns, incluindo o HIV e a gripe.

A equipe está agora aplicando o EVEscape em tempo real ao SARS-CoV-2, usando todas as informações disponíveis para fazer previsões sobre como ele pode evoluir no futuro.

Os pesquisadores publicam uma classificação quinzenal de novas variantes do SARS-CoV-2 em seu site e compartilham essas informações com entidades como a Organização Mundial da Saúde. O código completo do EVEscape também está disponível gratuitamente online.

Eles também estão testando o EVEscape em vírus menos estudados, como o Lassa e o Nipah, dois patógenos com potencial pandêmico para os quais existe relativamente pouca informação.

Esses vírus menos estudados podem ter um grande impacto na saúde humana em todo o mundo, observaram os pesquisadores.

Outra aplicação importante do EVEscape seria avaliar vacinas e terapias contra variantes virais atuais e futuras. A capacidade de fazê-lo pode ajudar os cientistas a projetar tratamentos capazes de resistir aos mecanismos de escape que um vírus adquire.

"Historicamente, o design de vacinas e terapias tem sido retrospectivo, lento e ligado às sequências exatas conhecidas de um determinado vírus", disse Thadani.

Noor Youssef, pesquisador no laboratório de Marks, acrescentou: "Queremos descobrir como podemos realmente projetar vacinas e terapias à prova de futuro".