Искусственный интеллект обнаружил свыше 6000 новых вирусов

Вирусы влияют на весь окружающий нас мир: от здоровья человека до разложения мусора. Изучение этой простейшей, но при этом очень важной формы живых существ связано с рядом сложностей. Ученые не могут вырастить большинство вирусов в лаборатории, а попыткам идентифицировать их генетические последовательности мешает быстрая эволюция крохотных геномов.

Современные инструменты из области высоких технологий позволят решить эти проблемы и ускорить метагеномные исследования — поиск неизвестных науке видов. Учёные из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе впервые применили технологии искусственного интеллекта (далее ИИ) в своих исследованиям, результатом чего стало обнаружение почти 6000 новых видов вируса.

В последние годы исследователи пытались обнаружить неизвестные вирусы путем секвенирования ДНК в образцах, взятых из разных сред. Чтобы идентифицировать присутствующие в них микробы, исследователи ищут генетические подписи известных вирусов и бактерий. Этот метод напоминает функция «Найти» в любом текстовом редакторе на компьютере, который выделяет цветом слова в документе, содержащие конкретные буквы. Однако, подобный метод часто оказывается не эффективен, потому что вирусологи не могут искать того, чего они не знают. То есть нельзя воспользоваться функцией «Найти», если неизвестен набор букв, необходимый для поиска.

Технологии искусственного интеллекта, называемые иначе машинное обучение, обходят эту проблему. Команда учёных из Университета Южной Калифорнии под руководством профессора, вычислительного биолога Цзе Рена (Jie Ren) разработала алгоритм под названием VirFinder, основанный на замещении комбинаций пар некоторых нуклеотидов в последовательности ДНК. Алгоритм не ищет готовые закономерности, а сам идентифицирует те или иные последовательности в огромном массиве информации. Искусственный интеллект анализируют данные, изучают их, а затем классифицируют информацию автономно.

По словам Рена: «Ранее учёные-вирусологи обладали ограниченным набором инструментов для проведения своих исследований, но теперь всё изменилось. Искусственный интеллект открывает новый этап в изучении вирусов».

Помимо обнаружения новых вирусов в интересах метагеномики алгоритм VirFinder находит прикладное применение в медицинских и биомедицинских исследованиях. Цзе Рен применил алгоритм к метагеномным образцам из фекалий здоровых людей и людей с циррозом печени, состояние, вызванное заболеваниями от гепатита, хронического алкоголизма. После того, как алгоритм классифицировал группы вирусов в образцах, команда отметила, что некоторые типы были более выражены у здоровых людей по сравнению с теми, у кого цирроз. Очевидное предположение — некоторые вирусы могут играть определенную роль в протекании болезни и указывать на её наличие при диагностике.

Дерья Унтумаз, иммунолог из Лаборатории геномной медицины им. Джексона в Фармингтоне, штат Коннектикут, предположил, что вирусы могут вызвать деструктивную воспалительную реакцию, или они могут изменить поведение бактерий в микробиоме человека, что, в свою очередь, может дестабилизировать обмен веществ и иммунную систему.

По мнению Дерья Унтумаз, с помощью машинного обучения исследователи смогут идентифицировать вирусы у пациентов, которые ранее оставались скрытыми. Кроме того, поскольку ИИ обладает способностью находить шаблоны в массивных наборах данных, этот подход может связывать данные о вирусах с бактериями, а затем с изменениями белка у людей с симптомами.

Алгоритм VirFinder предоставлен в свободный доступ всем исследователям и нашёл неожиданное применение в области далёкой от медицины. Деяд Амгартен, биоинформатик из Университета Сан-Паулу в Бразилии, применил машинное обучение для поиска вирусов в компостных грудах в зоопарке города. Он сумел определить некоторые штаммы вирусов, способствующие выработке протеинов, ускоряющих разрушение органического вещества. Тем самым он планирует повысить скорость компостирования.

Источник: электронная версия журнала Nature