استفاده از پلتفرم یادگیری ماشین در فراوری توالی آنتی بادی کووید 19 - اهدا بلاگ

به گزارش گروه سلامت خبرنگاران از ایسنا، محققان آمریکایی مجموعه اولیه توالی های 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 نموده اند.

تیم تحقیقاتی آزمایش های تجربی را بر روی طرح های انتخاب شده آنتی بادی انجام می دهند. محققان این مطالعه اکنون در حال اجرا آزمایش های تجربی بر روی طرح های 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 شده اند امکانپذیر است.

دانشمندان می گویند با توجه به اینکه طرح های جدید آنتی بادی به وسیله یک فرایند محاسباتی و آزمایشگاهی توسعه می یابد، می توانند مسیری ایمن تری برای توسعه درمان بالقوه برای مبتلایان به این بیماری باشند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در مقاله ای که در وبسایت BioRxiv منتشر کردند چگونگی استفاده از رایانه ها با کارآیی بالای آزمایشگاه و یک پلتفرم محاسباتی مبتنی بر یادگیری ماشینی را برای طراحی کاندیداهای آنتی بادی که پیش بینی می شوند با دامنه اتصال گیرنده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2(SARS-CoV-2 Receptor Binding Domain) ارتباط دارند، توصیف نموده اند. با ترکیب ساختارهای شناخته شده آنتی بادی برای کروناویروس سندرم حاد تنفسی و یک الگوریتم یادگیری ماشینی دانشمندان پلتفرمی که می تواند توالی آنتی بادی بیماری کووید 19 را فراوری کند، توسعه داده اند.

محققان گزارش دادند که محاسبات انرژی آزاد اجرا شده برای اولین مجموعه از طرح ها - برای پیش بینی احتمال اتصال- در مقایسه با محاسبات مشابه برای آنتی بادی های شناخته شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی اجرا شده است. آمار نشان می دهد که آنتی بادی های کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 پیش بینی شده ممکن است به گیرنده های ویروس متصل شده و با جلوگیری از اتصال ویروس به سلول های انسانی، آن را خنثی کند.

محققان آزمایشگاه گفتند که توالی ها و محاسبات اتصالی می تواند به آنها یاری کند تا آنتی بادی های مشتق شده از بدن انسان را با محاسبات انرژی آزاد آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور مقایسه نمایند 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 فراوری یک ساختار پروتئینی 3 بعدی پیش بینی شده کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 استفاده کرد. پس از آن، ساختار پروتئین واقعی کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 معین شد.

زملا در این باره گفت: هنگامیکه ما برای ایجاد مدل اتصال کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 با آنتی بادی های خنثی نماینده کروناویروس سندرم حاد تنفسی کوشش می کردیم، می دانستیم که به رغم سطح بالای شباهت بین دو ویروس، آنتی بادی های کروناویروس سندرم حاد تنفسی به کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 متصل نمی شوند. بنابراین پیش بینی 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 بادی ها 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 یاری یادگیری ماشین، دانش زیست داده ورزی یا بیوانفورماتیک، داده های تجربی و ساختاری زیست شناسی و شبیه سازی های مولکولی برای کاهش چشمگیر طرح های ممکن آنتی بادی پیش بینی شده برای هدف قرار دادن کروناویروس سندرم حاد تنفسی 2 استفاده می نماید.

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 بادی های 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 نماینده 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 نماینده 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 بادی های شناخته شده آن -52 کیلو کالری در مول است.

اکنون محققان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در حال اجرا محاسبات بیشتر با انواع مختلفی از آنتی بادی های شناخته شده برای اتصال به کروناویروس سندرم حاد تنفسی هستند و همچنان به پیشرفته تر کردن این پلتفرم ادامه می دهند.