.
A pandemia da COVID-19 parecia um desfile interminável de variantes do SARS-CoV-2, cada uma equipada com novas formas de escapar ao sistema imunitário, deixando o mundo preparado 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 possui dois elementos: um modelo de sequências evolutivas que prevê 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 com maior probabilidade de ocorrer à medida que o vírus evolui.
Em um estudo publicado em 11 de outubro em Natureza, os investigadores mostram que se tivesse sido implementado 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 VIH e a gripe.
Os pesquisadores estão agora usando o EVEscape para prever o SARS-CoV-2 e prever futuras variantes preocupantes; a cada duas semanas, eles divulgam um ranking de novas variantes. Eventualmente, esta informação poderá 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 dos vírus e prever novas variantes – porque, se pudermos, isso será extremamente importante para o desenvolvimento de vacinas e terapias”, disse a autora sênior Debora Marks, professora associada de biologia de sistemas no Instituto Blavatnik no HMS.
De EVE para EVEscape
Os pesquisadores desenvolveram primeiro o EVE, abreviação de modelo evolutivo de efeito variante, em um contexto diferente: mutações genéticas que causam doenças humanas. O núcleo do EVE é um modelo generativo que aprende a prever a funcionalidade das proteínas com base em dados evolutivos em larga escala entre espécies.
Num estudo anterior, o EVE permitiu aos investigadores discernir entre mutações benignas e causadoras de doenças em genes ligados a várias condições, incluindo cancros 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.
À medida que a pandemia da COVID-19 atingiu e progrediu, o mundo foi apanhado de surpresa pela impressionante capacidade de evolução do SARS-CoV-2. O vírus continuou a transformar-se, mudando a sua estrutura de formas subtis e substanciais para escapar às vacinas e terapias concebidas para o derrotar.
“Subestimamos a capacidade das coisas sofrerem mutações quando estão sob pressão e temos uma grande população para fazer isso”, disse Marks. “Os vírus são flexíveis – é quase como se tivessem evoluído para evoluir.”
Ao observar o desenrolar da pandemia, Marks e a sua equipa viram uma oportunidade de ajudar: reconstruíram o EVE numa nova ferramenta chamada EVEscape com o propósito de prever variantes virais.
Eles pegaram o modelo generativo do EVE – que pode prever mutações em proteínas virais que não interferem na função do vírus – e adicionaram detalhes biológicos e estruturais sobre o vírus, incluindo informações sobre regiões mais facilmente atingidas pelo sistema imunológico.
“Estamos pegando informações biológicas sobre como o sistema imunológico funciona e colocando-as em camadas com nossos aprendizados da história evolutiva mais ampla do vírus”, explicou a co-autora Nicole Thadani, ex-pesquisadora do laboratório Marks.
Tal abordagem, enfatizou Marks, significa que o EVEscape possui uma estrutura flexível que pode ser facilmente adaptada a qualquer vírus.
Voltando o relógio
No novo estudo, a equipe voltou no tempo para janeiro de 2020, pouco antes do início da pandemia de COVID-19. Então 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 primeiro dia e diz: eu só tenho esses dados, o que vou dizer que está acontecendo?” Marcos disse.
EVEscape previu quais mutações do SARS-CoV-2 ocorreriam durante a pandemia com 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 ainda, o EVEscape poderia fazer as suas previsões de forma mais rápida e eficiente do que os testes baseados em laboratório, uma vez que não precisava de esperar que anticorpos relevantes surgissem na população e ficassem disponíveis para teste.
Além disso, o EVEscape previu quais terapias baseadas em anticorpos perderiam sua eficácia à medida que a pandemia progredisse e o vírus desenvolvesse mutações para escapar desses tratamentos.
A ferramenta também foi capaz de analisar dezenas de milhares de novas variantes do SARS-CoV-2 produzidas a cada semana e identificar aquelas com maior probabilidade de se tornarem problemáticas.
“Ao determinar rapidamente o nível de ameaça de novas variantes, podemos ajudar a informar decisões anteriores de saúde pública”, disse a co-autora Sarah Gurev, estudante de pós-graduação no laboratório Marks do programa de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT.
Numa etapa final, a equipa demonstrou que o EVEscape poderia ser generalizado para outros vírus comuns, incluindo o VIH e a gripe.
Projetando vacinas e terapias à prova de mutação
A equipa está agora a aplicar o EVEscape ao SARS-CoV-2 em tempo real, utilizando todas as informações disponíveis para fazer previsões sobre como poderá evoluir a seguir.
Os investigadores publicam quinzenalmente no seu site um ranking das novas variantes do SARS-CoV-2 e partilham esta informação com entidades como a Organização Mundial de Saúde. O código completo do EVEscape também está disponível gratuitamente online.
Eles também estão testando o EVEscape em vírus pouco estudados, como Lassa e Nipah, dois patógenos com potencial pandêmico sobre os quais existe relativamente pouca informação.
Esses vírus menos estudados podem ter um enorme impacto na saúde humana em todo o mundo, observaram os investigadores.
Outra aplicação importante do EVEscape seria avaliar vacinas e terapias contra variantes virais atuais e futuras. A capacidade de fazer isso pode ajudar os cientistas a desenvolver tratamentos capazes de resistir aos mecanismos de fuga que um vírus adquire.
“Historicamente, o desenho de vacinas e terapêuticas tem sido retrospectivo, lento e vinculado às sequências exatas conhecidas sobre um determinado vírus”, disse Thadani.
Noor Youssef, pesquisador do laboratório Marks, acrescentou: “Queremos descobrir como podemos realmente projetar vacinas e terapias que sejam preparadas para o futuro”.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (GM141007-01A1), pela Coalizão para Inovações em Preparação para Epidemias, pela Iniciativa Chan Zuckerberg, pela GSK, pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido e pelo Instituto Alan Turing.
Marks é consultor da Dyno Therapeutics, Octant, Jura Bio, Tectonic Therapeutic e Genentech, e é cofundador da Seismic Therapeutic. Sander é consultor da CytoReason Ltd.
.
