La pandémie de COVID-19 ressemblait à un défilé sans fin de variantes du SRAS-CoV-2, chacune dotée de nouveaux moyens d’échapper au système immunitaire, laissant le monde se préparer à ce qui allait suivre.
Mais et s’il existait un moyen de faire des prédictions sur les nouvelles variantes virales avant qu’elles n’apparaissent réellement ?
C’est exactement ce que peut faire un nouvel outil d’intelligence artificielle nommé EVEscape, développé par des chercheurs de la Harvard Medical School et de l’Université d’Oxford.
L’outil comporte deux éléments : un modèle de séquences évolutives qui prédit les changements pouvant survenir dans un virus, ainsi que des informations biologiques et structurelles détaillées sur le virus. Ensemble, ils permettent à EVEscape de faire des prédictions sur les variantes les plus susceptibles de se produire à mesure que le virus évolue.
Dans une étude publiée le 11 octobre dans Nature, les chercheurs montrent que s’il avait été déployé au début de la pandémie de COVID-19, EVEscape aurait prédit les mutations les plus fréquentes et identifié les variantes les plus préoccupantes du SRAS-CoV-2. L’outil a également fait des prédictions précises sur d’autres virus, notamment le VIH et la grippe.
Les chercheurs utilisent désormais EVEscape pour anticiper le SRAS-CoV-2 et prédire les futures variantes préoccupantes ; toutes les deux semaines, ils publient un classement des nouvelles variantes. À terme, ces informations pourraient aider les scientifiques à développer des vaccins et des thérapies plus efficaces. L’équipe élargit également ses travaux pour inclure davantage de virus.
Nous voulons savoir si nous pouvons anticiper la variation des virus et prévoir de nouvelles variantes – ; parce que si nous le pouvons, cela sera extrêmement important pour concevoir des vaccins et des thérapies. »
Debora Marks, auteur principal, professeur agrégé de biologie des systèmes, Institut Blavatnik à HMS
Sommaire
De EVE à EVEscape
Les chercheurs ont d’abord développé EVE, abréviation de modèle évolutif d’effet variant, dans un contexte différent : les mutations génétiques qui provoquent des maladies humaines. Le cœur d’EVE est un modèle génératif qui apprend à prédire la fonctionnalité des protéines sur la base de données évolutives à grande échelle entre espèces.
Dans une étude précédente, EVE avait permis aux chercheurs de distinguer les mutations bénignes de gènes liées à diverses affections, notamment les cancers et les troubles du rythme cardiaque, qui causent des maladies.
« Vous pouvez utiliser ces modèles génératifs pour apprendre des choses étonnantes à partir d’informations évolutives ; les données contiennent des secrets cachés que vous pouvez révéler », a déclaré Marks.
Alors que la pandémie de COVID-19 frappait et progressait, le monde a été pris au dépourvu par l’impressionnante capacité d’évolution du SRAS-CoV-2. Le virus a continué à se transformer, changeant sa structure de manière subtile et substantielle pour échapper aux vaccins et aux thérapies conçus pour le vaincre.
« Nous sous-estimons la capacité des choses à muter lorsqu’elles sont sous pression et qu’elles disposent d’une grande population dans laquelle le faire », a déclaré Marks. « Les virus sont flexibles, c’est presque comme s’ils avaient évolué pour évoluer. »
En regardant la pandémie se dérouler, Marks et son équipe ont vu une opportunité d’aider : ils ont reconstruit EVE en un nouvel outil appelé EVEscape dans le but de prédire les variantes virales.
Ils ont pris le modèle génératif d’EVE – ; qui peut prédire des mutations dans les protéines virales qui n’interféreront pas avec la fonction du virus – ; et ajouté des détails biologiques et structurels sur le virus, y compris des informations sur les régions les plus facilement ciblées par le système immunitaire.
« Nous prenons des informations biologiques sur le fonctionnement du système immunitaire et les superposons à nos enseignements tirés de l’histoire évolutive plus large du virus », a expliqué la co-auteure principale Nicole Thadani, ancienne chercheuse au laboratoire Marks.
Une telle approche, a souligné Marks, signifie qu’EVEscape dispose d’un cadre flexible qui peut être facilement adapté à n’importe quel virus.
Remonter le temps
Dans la nouvelle étude, l’équipe a remonté le temps jusqu’en janvier 2020, juste avant le début de la pandémie de COVID-19. Ensuite, ils ont demandé à EVEscape de prédire ce qui se passerait avec le SRAS-CoV-2.
« C’est comme si vous aviez une machine à voyager dans le temps. Vous revenez au premier jour et vous dites : je n’ai que ces données, qu’est-ce que je vais dire qui se passe ? » dit Marks.
EVEscape a prédit quelles mutations du SRAS-CoV-2 se produiraient pendant la pandémie avec une précision similaire à celle des approches expérimentales qui testent la capacité du virus à se lier aux anticorps produits par le système immunitaire. EVEscape a surpassé les approches expérimentales pour prédire laquelle de ces mutations serait la plus répandue. Plus important encore, EVEscape pourrait faire ses prédictions plus rapidement et plus efficacement que les tests en laboratoire, car il n’avait pas besoin d’attendre que les anticorps pertinents apparaissent dans la population et soient disponibles pour les tests.
De plus, EVEscape a prédit quelles thérapies à base d’anticorps perdraient leur efficacité à mesure que la pandémie progressait et que le virus développait des mutations pour échapper à ces traitements.
L’outil a également pu passer au crible les dizaines de milliers de nouvelles variantes du SRAS-CoV-2 produites chaque semaine et identifier celles qui sont les plus susceptibles de devenir problématiques.
« En déterminant rapidement le niveau de menace des nouvelles variantes, nous pouvons contribuer à éclairer les décisions de santé publique plus précoces », a déclaré la co-auteure principale Sarah Gurev, étudiante diplômée du laboratoire Marks du programme de génie électrique et d’informatique du MIT.
Dans une dernière étape, l’équipe a démontré qu’EVEscape pouvait être généralisé à d’autres virus courants, notamment le VIH et la grippe.
Concevoir des vaccins et des thérapies à l’épreuve des mutations
L’équipe applique désormais EVEscape au SARS-CoV-2 en temps réel, en utilisant toutes les informations disponibles pour faire des prédictions sur la façon dont il pourrait évoluer ensuite.
Les chercheurs publient un classement bihebdomadaire des nouvelles variantes du SRAS-CoV-2 sur leur site Web et partagent ces informations avec des entités telles que l’Organisation mondiale de la santé. Le code complet d’EVEscape est également disponible gratuitement en ligne.
Ils testent également EVEscape sur des virus peu étudiés tels que Lassa et Nipah, deux agents pathogènes potentiellement pandémiques pour lesquels il existe relativement peu d’informations.
De tels virus, moins étudiés, peuvent avoir un impact énorme sur la santé humaine à travers le monde, ont noté les chercheurs.
Une autre application importante d’EVEscape serait d’évaluer les vaccins et les thérapies contre les variantes virales actuelles et futures. Cette capacité peut aider les scientifiques à concevoir des traitements capables de résister aux mécanismes d’évasion acquis par un virus.
« Historiquement, la conception des vaccins et des thérapies a été rétrospective, lente et liée aux séquences exactes connues d’un virus donné », a déclaré Thadani.
Noor Youssef, chercheur au laboratoire Marks, a ajouté : « Nous voulons comprendre comment nous pouvons réellement concevoir des vaccins et des thérapies à l’épreuve du temps. »
Paternité, financement, divulgations
Les autres auteurs de l’article incluent Pascal Notin, Nathan Rollins, Daniel Ritter, Chris Sander et Yarin Gal.
Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health (GM141007-01A1), la Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, la Chan Zuckerberg Initiative, GSK, le UK Engineering and Physical Sciences Research Council et l’Institut Alan Turing.
Marks est conseiller pour Dyno Therapeutics, Octant, Jura Bio, Tectonic Therapeutic et Genentech, et est co-fondateur de Seismic Therapeutic. Sander est conseiller pour CytoReason Ltd.
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