Biologii au găsit o metodă de a dirija evoluția virusurilor spre un impas

Metoda a fost denumită fitness landscape design sau proiectarea peisajului de adaptare. Ideea sa constă în modificarea condițiilor evoluției cu ajutorul combinațiilor de anticorpi, astfel încât potențialele căi către variante mai periculoase să se încheie nu cu succes, ci cu reducerea capacității virusului de a se reproduce, relatează dx.doi.org.

„Este practic un mod invers de a gândi evoluția”, a declarat Vaibhav Mohanty, unul dintre autorii studiului.

În locul urmăririi mutațiilor

În biologie, evoluția este adesea reprezentată ca o deplasare printr-un peisaj. Fiecărei secvențe genetice a virusului îi corespunde un anumit punct, iar „înălțimea” acestuia arată cât de bine se reproduce și se răspândește virusul. În această abordare, selecția naturală împinge treptat populația în sus, spre variante mai adaptate.

De obicei, oamenii de știință încearcă să înțeleagă ce se va întâmpla după o anumită mutație. Echipa de la Harvard și-a propus o altă sarcină — să modifice peisajul însuși, astfel încât cele mai periculoase direcții ale evoluției să devină dezavantajoase.

„De obicei, oamenii de știință întreabă: "Dacă se produce această mutație, cum va influența ea reproducerea virusului?" Noi întrebăm: "Putem suprima direct mutațiile de care ne temem și să blocăm aceste căi înainte ca ele să apară?"”, a explicat Mohanty.

Pentru aceasta, cercetătorii au creat un model biofizic. Acesta ia în considerare modul în care proteina de suprafață a virusului interacționează cu receptorii celulelor umane și cu anticorpii, precum și felul în care mutațiile modifică aceste interacțiuni. Ulterior, datele obținute sunt transformate în probabilitatea de infectare și viteza de răspândire a virusului.

Modelul a fost testat pe două virusuri

Inițial, metoda a fost testată pe norovirusul murin. Pentru acesta existau deja rezultate ale experimentelor în care virusul era cultivat în laborator cu un anticorp neutralizant și fără acesta.

Cercetătorii au calculat cum ar trebui să modifice mutațiile individuale capacitatea virusului de a se lega de celule și de anticorpi, apoi au comparat previziunile modelului cu schimbările reale ale variantelor virusului. Rezultatele au coincis în mare măsură cu datele experimentale.

Ulterior, aceeași abordare a fost aplicată pentru SARS-CoV-2. Oamenii de știință au combinat datele privind modul în care diferite variante ale proteinei spike se leagă de receptorul uman ACE2 și de anticorpi cu estimările epidemiologice privind răspândirea acestor variante.

„Aceasta este o abordare fundamental multistratificată. Începem cu proteinele, anticorpii și receptorii, iar apoi analizăm consecințele deja la nivelul pandemiilor”, a menționat Eugene Shakhnovich, coordonatorul lucrării.

Anticorpii pot deveni un instrument de gestionare a evoluției

Următoarea etapă a fost rezolvarea problemei inverse. Oamenii de știință stabileau mai întâi rezultatul dorit, de exemplu o situație în care un întreg grup de variante înrudite ale SARS-CoV-2 are o capacitate redusă de adaptare. Apoi, computerul căuta combinații de anticorpi capabile să creeze asemenea condiții.

În simulări, unele cocktailuri de anticorpi transformau căile obișnuite de „evadare” ale virusului în fundături evolutive. Mutațiile puteau apărea în continuare, însă evoluția ulterioară în această direcție devenea dezavantajoasă pentru virus.

„În loc să reacționăm la următoarea mutație apărută, încercăm să împingem din timp virusul într-o situație în care căile simple de evadare devin dezavantajoase pentru el”, a spus Mohanty.

Cercetătorii consideră că același principiu ar putea fi util nu doar împotriva virusurilor. De exemplu, acesta este propus pentru utilizare în imunoterapia cancerului, unde tumorile evoluează, de asemenea, și pot găsi modalități de a evita sistemul imunitar.

O altă posibilă aplicare este legată de crearea proteinelor utile. În evoluția dirijată, oamenii de știință modifică treptat proteina și selectează variantele cele mai reușite. O astfel de căutare duce uneori la un rezultat intermediar, după care îmbunătățirea ulterioară devine dificilă. Proiectarea peisajului de adaptare ar putea, teoretic, ajuta la evitarea unor astfel de fundături.

În prezent, echipa utilizează și inteligența artificială, inclusiv modele lingvistice pentru proteine și instrumente generative, pentru a prognoza interacțiunea anticorpilor cu proteinele virale și pentru a testa mai multe variante de concepere a acestora.

„Ideea peisajului de adaptare există de mult timp. Noutatea constă în faptul că putem începe să modelăm manual acest peisaj pentru a combate bolile”, a declarat Shakhnovich.

Următorul pas important va fi verificarea dacă combinațiile selectate de anticorpi vor putea într-adevăr să direcționeze evoluția virusului așa cum prevede modelul.