استفاده از پلتفرم یادگیری ماشین در تولید توالی آنتی‌بادی کووید-۱۹

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، محققان آمریکایی مجموعه اولیه توالی‌های آنتی بادی درمانی را که طی چند هفته با استفاده از یادگیری ماشین و ابر رایانه و با هدف اتصال و خنثی سازی "کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2"(ویروسی که باعث بیماری کووید-19 شده است ) طراحی شده، شناسایی کرده‌اند. تیم تحقیقاتی آزمایش‌های تجربی را بر روی طرح‌های انتخاب شده آنتی بادی انجام می دهند. محققان این مطالعه اکنون در حال انجام آزمایش‌های تجربی بر روی طرح‌های انتخاب شده آنتی بادی است.

در حال حاضر درمان بیماری کووید-19 با استفاده از آنتی بادی نمونه خون افراد مبتلا به این بیماری که کاملا درمان شده‌اند امکانپذیر است. دانشمندان می‌گویند با توجه به اینکه طرح‌های جدید آنتی بادی از طریق یک فرایند محاسباتی و آزمایشگاهی توسعه می‌یابد، می‌توانند مسیری ایمن‌تری برای توسعه درمان بالقوه برای مبتلایان به این بیماری باشند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی "لارنس لیورمور" در مقاله‌ای که در وبسایت "BioRxiv " منتشر کردند چگونگی استفاده از رایانه‌ها با کارآیی بالای آزمایشگاه و یک پلتفرم محاسباتی مبتنی بر یادگیری ماشینی را برای طراحی کاندیداهای آنتی بادی که پیش‌بینی می‌شوند با دامنه اتصال گیرنده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2(SARS-CoV-2 Receptor Binding Domain) ارتباط دارند، توصیف کرده‌اند. با ترکیب ساختارهای شناخته شده آنتی‌بادی برای کروناویروس سندرم حاد تنفسی و یک الگوریتم یادگیری ماشینی دانشمندان پلتفرمی که می‌تواند توالی آنتی بادی بیماری کووید-19 را تولید کند، توسعه داده‌اند.

محققان گزارش دادند که محاسبات انرژی آزاد انجام شده برای اولین مجموعه از طرح‌ها - برای پیش بینی احتمال اتصال- در مقایسه با محاسبات مشابه برای آنتی بادی‌های شناخته شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی انجام شده است. آمار نشان می‌دهد که آنتی بادی‌های کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 پیش‌بینی شده ممکن است به گیرنده‌های ویروس متصل شده و با جلوگیری از اتصال ویروس به سلول‌های انسانی، آن را خنثی کند.

محققان آزمایشگاه گفتند که توالی‌ها و محاسبات اتصالی می‌تواند به آنها کمک کند تا آنتی بادی‌های مشتق شده از بدن انسان را با محاسبات انرژی آزاد آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور مقایسه کنند تا دریابند کدامیک از آنها عملکرد بهتری دارد.

همانطور که پیشتر گزارش شده بود، "آدام زملا"(Adam Zemla) دانشمند آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور از ساختار پروتئین شناخته شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی برای تولید یک ساختار پروتئینی 3 بعدی پیش‌بینی شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 استفاده کرد. پس از آن، ساختار پروتئین واقعی کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 مشخص شد.

زملا در این باره گفت: هنگامیکه ما برای ایجاد مدل اتصال کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 با آنتی بادی‌های خنثی کننده کروناویروس سندرم حاد تنفسی تلاش می‌کردیم، می‌دانستیم که به رغم سطح بالای شباهت بین دو ویروس، آنتی بادی‌های کروناویروس سندرم حاد تنفسی به کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 متصل نمی‌شوند. بنابراین پیش‌بینی تغییرات ساختاری خاص کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 یک چالش واقعی برای ما در ایجاد مدل بود که به ما اجازه داد اصلاحاتی را در آنتی بادی‌ها انجام دهیم و آن عملیات اتصال را برقرار کنیم.

تنها طی 22 روز ، با استفاده از توالی پروتئین کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 و ساختارهای آنتی بادی شناخته شده برای کروناویروس سندرم حاد تنفسی، محققان از یک پلتفرم محاسباتی استفاده کردند که با کمک یادگیری ماشین، دانش زیست‌داده‌ورزی یا بیوانفورماتیک، داده‌های تجربی و ساختاری زیست شناسی و شبیه‌سازی‌های مولکولی برای کاهش چشمگیر طرح‌های ممکن آنتی‌بادی پیش‌بینی شده برای هدف قرار دادن کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 استفاده می‌کند.

طی این مطالعه محققان از بیش از 200 هزار ساعت واحد پردازش مرکزی (CPU hours) و 20 هزار ساعت واحد پردازش مرکزی بر روی دو رایانه با کارایی بالا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور برای انجام نزدیک به 180 هزار محاسبه انرژی رایگان آنتی بادی‌های دامنه اتصال گیرنده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 استفاده کردند.

سپس با استفاده از ساختارهای پیش بینی شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2، محققان از پلتفرم طراحی شده برای تخمین محاسبه شده خواص اتصال تقریبا 90 هزار آنتی بادی جهش یافته استفاده کردند. آنها امیدوار کننده ترین توالی اولیه آنتی بادی را انتخاب و آنها را محاسبه کردند تا بتوانند تعامل آنتی بادی با دامنه اتصال گیرنده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 با انرژی آزاد را دریابند. زیرا کمترین میزان -82 کیلو کالری آنتی بادی در هر مول منعکس کننده قدرت اتصال آنتی بادی است. هرچه این تعداد کمتر باشد ، شانس اتصال آن آنتی بادی بیشتر خواهد بود. برای مقایسه، تعداد کروناویروس سندرم حاد تنفسی و یکی از آنتی بادی‌های شناخته شده آن -52 کیلو کالری در مول است.

اکنون محققان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در حال انجام محاسبات بیشتر با انواع مختلفی از آنتی بادی‌های شناخته شده برای اتصال به کروناویروس سندرم حاد تنفسی هستند و همچنان به پیشرفته‌تر کردن این پلتفرم ادامه می‌دهند.