R上周，当我得知我两岁女儿的日托服务人员得到了第一剂辉瑞疫苗时，我的心顿时松了一口气。这让她感觉比她预期的更虚弱，但这是一件好事，表明疫苗正在激活她的免疫系统。
虽然我很感激她的疫苗接种降低了我接触到社交群体的风险，但我正在阅读来自英国、南非和巴西的新基因变异SARS-CoV-2。在最近的一次新闻发布会上，拜登总统的首席医疗顾问安东尼·福奇(Anthony Fauci)说，目前的辉瑞和Moderna疫苗在面对新的突变时，仍然“远远超过了不起作用的界限”。当然，这是令人安心的，直到你考虑到疫苗，对抗突变，可能会低于有效的界限。这不是疫苗设计的错，这是自然设计的结果。只要病毒继续寻找新的人类宿主，它就会继续进化突变，以逃脱我们的免疫防御。
“感染的人越多，我们就越有可能看到新的变异，”洛克菲勒大学免疫学家米歇尔·努森茨维格说，告诉纽约时报．“如果我们给病毒一个机会，它就会做最坏的事情。”
英国和南非的冠状病毒变种都有很高的逃逸潜力。必威体育西汉姆官网
值得庆幸的是，科学家们正在研究这种病毒接下来可能会以何种形式出现。美国麻省理工学院(mit)的一个由生物工程师、计算生物学家和数学家组成的团队，提出了一种新的方法，预测哪些SARS-CoV-2突变会逃脱人类免疫系统。他们的研究可以帮助疫苗制造商领先进化一步，并在关键时刻切断致命突变。在一个新的纸发表在科学科学家们以“学习病毒进化和逃逸的语言”这一诱人的标题，阐明了关于语法和意义等自然语言的想法与病毒和细菌如何进化之间有希望的桥梁。“我们正在努力理解生物学的语言，”该论文的作者之一邦妮·伯杰(Bonnie Berger)说。
伯杰和他的合著者布莱恩·布莱森(Bryan Bryson)和布莱恩·Hie最近在Zoom上和我一起解释了他们的研究。他们的工作源于病毒变异的能力，这种能力让它们能够逃避我们的免疫系统。毕竟，它是SARS-CoV-2的刺突蛋白多功能分子机器，帮助病毒侵入我们的细胞。作为一个报告本月在《柳叶刀》他指出，最近在英国出现的突变正在“迅速成为全球威胁”，其特征是“刺突蛋白的多重突变”。Moderna和辉瑞公司的疫苗通过给我们提供细胞来对抗SARS-CoV-2指令如何制造无害的病毒刺突蛋白;这些信息使我们的免疫系统有效地对抗病毒。然而，当刺突蛋白发生变化时，我们的免疫系统就更难识别并最终阻止它。
伯杰是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的计算与生物小组的负责人。她解释说，应该调查原始武汉链的突变是否“语义变化”，这“可能导致逃逸”。蛋白质的语义或意义的变化归结为它的氨基酸序列，它们遵循一套规则。蛋白质是由氨基酸组成的多肽链，是由20个字符组成的蛋白质“字母表”，编码了特定的蛋白质结构和用途。这些字母的序列，通过肽键相互连接，由DNA和RNA转录和翻译而成——或者，在SARS-CoV-2中，仅仅是RNA。要让病毒的刺突蛋白成功地连接到我们的细胞上，它的序列必须符合某种句法。“我们认为这是一种生物语法，”麻省理工学院(MIT)计算机科学和人工智能实验室(Computer Science and Artificial Intelligence Lab)博士生Hie说。
为了逃避免疫系统的搜索和破坏细胞，病毒必须伪装自己。在科学，作者写道，“我们发现逃逸突变可以保持病毒的传染性，但会导致病毒在免疫系统中看起来不同，类似于单词变化可以保持句子的语法性，但会改变它的意思。”伯杰说，这种巧妙的改写是进化在起作用。“进化是一种语言，”她说。随着时间的推移，它的语言就像英语一样发展。蛋白质序列或核酸序列会随着时间的推移而发展。”
科学家们设计了机器学习算法，用于识别病毒蛋白质序列中的新“单词”。机器学习算法最初是为了与英语等人类语言合作而设计的。他们写道:“用同样的原理训练一个语言模型训练一个英语单词序列，也可以训练一个氨基酸序列。”Hie说，从根本上说，这些算法就像句子补全模型，比如iPhone和谷歌的Gmail中的自动更正和自动补全功能。
如果我们给病毒一个机会，它就会做出最坏的结果。
他们训练有素的语言模型在4172年飙升蛋白质序列,远低于与工作相关的蛋白质可与其他病毒,研究人员还创造了语言模型来预测病毒逃避- 44851甲型流感病毒的蛋白质序列,和57730年的艾滋病病毒的蛋白质序列。他们发现，根据他们的语言模型，蛋白质序列的语法正确程度与病毒的适应度显著相关，“在所有菌株以及对单一或组合突变的研究中”。尽管他们的语言模型“没有得到任何明确的适合度相关信息”。这表明，一个突变的“语法性”实际上捕捉了关于该突变对感染人群的适合程度的信息。研究人员说，它还增加了科学家对词义变化如何编码扰乱蛋白质目的的理解的维度。
布莱森是麻省总医院(Massachusetts General Hospital)拉根研究所(Ragon Institute)的成员，也是麻省理工学院(MIT)生物工程系实验室的负责人。他是这样说的:“从知识范式的角度来说，我们已经打开了CSCS的大门。”CSCS代表约束语义更改搜索。它的任务是寻找具有高语法性和高语义变化的刺突蛋白的突变。在英语语言中，没有类似的方法可以在正文中使用。这就是重点。伯杰说:“以前，人们只关注英语的语法或语义。“但是，如果想要寻找一种逃脱的方法——高语法性和高语义变化——你就不会在英语中这样做，这就是我们提出一种新的自然语言处理模型的原因。”自然语言处理推动了一个生物学问题的解决。”
在布莱森的实验室里，科学家们现在可以用刺突蛋白突变体进行实验。“我们说，‘好吧，我们可以生成这个，’”布莱森说。“在我们的模型中，它下降到了98%。”这意味着，如果你将这个突变体的序列与之前看到的冠状病毒序列进行比较，那么正如模型预测的那样，98%之前看到的冠状病毒序列的语义变化都低于必威体育西汉姆官网突变体。“我们可以看到它如何感染细胞，”布莱森说。“我们可以问，‘它与ACE2受体结合的效果如何?——刺突蛋白打开导致COVID-19的细胞通道——“它在抗体存在的情况下存活得有多好?”’现在，我们对语义变化与感染的所有生物学特征之间的关系有了更多的了解。”
一个突变的“语法性”实际上捕捉了关于该突变对感染人群的适合程度的信息。
根据研究人员的模型，英国和南非的变种都有很高的逃逸潜力。在语义变化方面，后者得分高于前者。伯杰说:“这些人可能容易逃跑，也可能不是疫苗的目标，但这需要实验验证。”“我们只是在做定量预测。”
我问科学家，如果莫德纳和辉瑞知道这种病毒逃逸的说法，我们目前的疫苗开发会有什么不同。布莱森说:“我认为我们的模型强调了使用完整长度的突刺作为免疫原的重要性，而不是优先考虑蛋白质的特定区域。”他说，幸运的是，许多疫苗设计都集中在全长刺突蛋白上，他们的模型表明这是一个很好的举措。与此同时，布莱森警告说，“我们的模型确实量化了具有高逃逸潜力的蛋白质的某些部分。”
然而，布赖森说，有了这些知识，化学家可以微调疫苗，以锁定最有可能逃逸的序列。“我们可以说，好吧，即使我们得到了越来越多的序列，我们如何考虑设计新的疫苗策略，将免疫反应集中在蛋白质的这个特定区域?”他解释说，在计算机中，他可以产生新的突峰突变，并确定(用语言比喻)它们是否改变了蛋白质序列的含义，从而变得危险。基于这个模型，布莱森说，“我们可以做深入的病毒学、免疫学、抗体结合——所有这些类型的实验都允许我们探索这些碎片。”
该团队希望将他们的模型应用到蛋白质序列之外的未知领域。“这个概念框架并不局限于免疫选择和免疫逃逸，但可以概括为不同种类的进化压力，”Hie说。“蛋白质会自我变异，以保持它们的健康和功能。所以你可以用同样的框架来理解对化疗或抗生素的耐药性。”Bryson感兴趣的是他们的模型如何在药物压力环境下分析细菌基因组。他说:“你可以想象，疟疾中的蛋白质也会经历很多突变，以避免免疫。”“我们可以在很多不同的地方使用它，我们会尽可能多地尝试。”
布莱恩·加拉格尔是鹦鹉螺。在推特上关注他@bsgallagher．
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