Új utat nyit a koronavírus elleni védekezésben az SZBK-ban fejlesztett mesterséges intelligencia segítségével felfedezett receptor

Horváth Péter, az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) Biokémiai Intézetének igazgatója, a Biomag Kutatócsoport vezetője és kutatócsoportja kollaborációs partnereivel, a Bristoli Egyetem kutatóprofesszoraival, Peter Cullennel és Yohei Yamauchival közösen kimutatták, hogy az influenzával kapcsolatban folytatott kutatásaik során felfedezett, eddig ismeretlen szereplőn – a gazdasejt felszínén található neuropilin-1 (NRP1) receptoron – keresztül a SARS-CoV-2 koronavírus be tud jutni a gazdasejtbe.

A világon számos kutatólabor dolgozik azon, hogy a koronavírus (COVID-19) fertőzés folyamatát megismerve elősegítse a hatékony kezelés kifejlesztését. A kutatóknak eddig az angiotenzin-konvertáz enzim 2-t (ACE2) sikerült azonosítani, amelyen keresztül a vírus képes a sejtbejutásra. Az SZBK mesterségesintelligencia-modellje alapján végzett kutatási eredmények azt mutatják, hogy az NRP1, a már jól ismert ACE2 mellett, a COVID-19 elleni terápia új, második célpontja lehet.

A neuropilin-1 (NRP1) a gazdasejt felszínén megtalálható receptor, amelyhez a SARS-CoV-2 vírus kötődni képes az S (Spike) elnevezésű fehérjén keresztül. Ebből az S fehérjéből enzimatikus hasítással képződik S1 fehérje, amely egyik végén, az úgynevezett C-terminális végen, rendelkezik egy speciális mintázattal, a ‘C-end rule’-lal (CendR). Ennek a régiónak a segítségével képes a vírus az NRP1-hez kapcsolódni, és bejutni a sejtbe. A fertőzött sejtek, szemben az egészséges sejtekkel, több sejtmaggal rendelkeznek.

Ennek a különbségnek a detektálásához és mennyiségi meghatározásához fejlesztett ki Horváth Péter és csapata egy, a világon egyedülállónak számító módszert, mely a mesterséges intelligencia legújabb irányán, az ún. mélytanuláson alapul, és amelynek segítségével nagyon pontos mikroszkópos analízist képesek végezni a kutatók.

Korábban az influenza kutatások kapcsán az NRP1 gén szűrésére is hasonló módszertant használt a szegedi kutatócsoport. Ennek az algoritmusnak a nucleAIzer nevet adták (www.nucleaizer.org). Az intelligens algoritmusoknak, hasonlóan pl. az önvezető autók irányításához, vagy a közösségi médiák intelligens képelemző algoritmusaihoz, hatalmas tanulóadatbázisokra van szüksége, amely a kutatócsoportnak korábban nem állt a rendelkezésére. Ezért egy olyan hibrid módszert alakítottak ki, mely során egy mélytanuló metódus mesterséges példákat generál, és ezek alapján tanít egy másik intelligens módszert. A módszert nemrég publikálták a rendszerbiológia legrangosabb folyóiratában, a Cell Systems-ben (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405471220301174).

Az algoritmus pontosságát jelzi, hogy alkalmazásával a szegedi Biomag Kutatócsoport az egyik legnagyobb világversenyen a legmagasabb pontszámot érte el.

Megelőzés, gyógyítás, diagnosztika – A TTK szerepe a vírus leküzdésében

A Természettudományi Kutatóközpont (TTK) hazánk egyik vezető multidiszciplináris kutatóhelye, ahol az együtt jelenlévő kémiai, biológiai, orvosi és pszichológiai tudásra, valamint a korszerű műszerekre építve egyszerre több projekttel kapcsolódtak be a koronavírus-járvány elleni küzdelembe. A megelőzésre, a gyógyításra és a diagnosztikára irányuló projektjeiket e négy tudományterület együttműködésén túl a korábban kialakított egyetemi és ipari partnerekkel történő kooperációra építik. Ezen kívül a TTK, az Operatív Törzs, illetve Magyarország Kormánya felkérésére konzorciumvezetőként irányítja a COVID-19 vírusfertőzés legyőzésre irányuló egyik gyógyszerfejlesztési projektet.

A TTK Gyógyszerkémiai Kutatócsoportja, illetve dr. Bányai Krisztián virológus, az Agrártudományi Kutatóközpont Állatorvostudományi Intézetének tudományos főmunkatársa is részt vesznek a Miniszterelnökség által létrehozott Koronavírus Kutatási Akciócsoport munkájában. A kutatócsoport hazánkban elsőként határozta meg a koronavírus teljes genetikai kódját, és jelenleg vizsgálják a kórokozó fertőzési és terjedési mechanizmusát. Céljuk lehetséges megelőző lépések felderítése, valamint hosszabb távon hatékony gyógyszerek és gyógymódok kifejlesztése.

elkh-ttk-koronavirus

A KOKI szerepe a pandémia elleni küzdelemben

A Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet (KOKI) vezetői és kutatói széles körben elismert farmakológiai, gyógyszerkutatási és -fejlesztési szakértelmükre építve, több évtizedes egészségügyi ellátói és ipari partnerekkel együttműködésben számos projekt keretében támogatják a vírusjárvány elleni küzdelmet. Emellett szakképzési és irányítási feladatok vállalásával, tanácsadással is segítik több szakmai szervezet és a hatóságok munkáját, továbbá közreműködnek a koronavírussal kapcsolatos hiteles tájékoztatásban.

A KOKI szakértője a klinikai munkacsoport vezetőjeként részt vesz a Természettudományi Kutatóközpont által irányított koronavírus elleni gyógyszerfejlesztési és alkalmazási projektben.

A KOKI korábbi kutatásai feltárták a vírusfertőzések idegrendszerre gyakorolt hatásainak mechanizmusait. Az intézet Neuroimmunológia Kutatócsoportjának kutatói a koronavírus-fertőzéssel kapcsolatban elérhető adatok alapján azt feltételezik, hogy a fertőzés súlyos eseteiben az idegrendszeri elváltozások kiemelten fontos oki tényezők, a fertőzés idegrendszeri hatásai pedig nagymértékben meghatározhatják a betegség lefolyását, valamint a betegek túlélését. E feltevés tudományos megerősítéséhez humán vizsgálatokra van szükség, amelynek előkészítését a kutatók megkezdték.

A KOKI spin-off cége, a Femtonics Kft. a Semmelweis Egyetemmel közösen olyan járványkórházakban is könnyen bevethető lélegeztetőgépet fejlesztett ki, amely kritikus állapotú betegek kezelésére alkalmas. A berendezés a lélegeztetésben kevésbé jártas orvosok számára is könnyen kezelhető, a találmány jelenleg szabadalmaztatás alatt áll.

Mesterséges intelligenciával kutatják a vírus terjedésének biológiai mechanizmusát

A Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) mesterséges intelligencia kutatócsoportja részt vesz egy nemzetközi kutatásban, amelynek keretében a járványért felelős SARS-CoV-2 vírus működését és terjedését vizsgálták a Human Cell Atlas konzorcium által rendelkezésre bocsátott humán adatok alapján. Elsősorban a fertőzés folyamatát és a szervezet által adott immunválaszokat szeretnék jobban megérteni a légzőszervek, illetve a béltraktus egyes sejtjeinek tanulmányozásán keresztül. Ha sikerül feltárni a vírus terjedésének biológiai mechanizmusát, hatékony klinikai stratégiát lehet felállítani a megelőzés és a kezelés érdekében. A kutatásról szóló cikket a világ egyik legrangosabb folyóiratában, a Nature Medicine-ben a napokban fogadták el publikációra.

Magyar kutatók meghatározták a koronavírus-járvány hazai terjedésének részleteit

Magyar kutatóknak sikerült meghatározni a koronavírus-járvány hazai terjedésének részleteit. Az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet (SZTAKI) informatikai szakembereinek támogatásával, az intézet felhőkapacitásainak használatával az eredetileg tervezettnél ötvenszer gyorsabban tudták meghatározni a koronavírus terjedésének részleteit Magyarországon a Pécsi Tudományegyetem Szentágothai János Kutatóközpont kutatói. A pécsi kutatócsoport a járvány kezdete óta vizsgálja a kórokozót, ők határozták meg először a vírus genetikai felépítését, és azóta nyomon követik annak genomváltozásait és terjedését.

A közös munka során több mint száz különböző helyen és időpontban vett vírusminta genomadatait dolgozták fel 500 millió lépésben. Ezeknek az információknak a felhasználásával a kutatók rövid idő alatt feltérképezték a vírus törzsfáját, és ennek segítségével határozták meg a járvány magyarországi terjedésének részleteit.

A kutatók a SZTAKI szakértőinek segítségével kevesebb mint egy nap alatt állították át a kutatásukhoz szükséges feladatokat az MTA Cloud hazai kutatói felhő SZTAKI által működtetett szervereire. A bonyolult filogenetikai algoritmusokra épülő és nagy mennyiségű adat gyors feldolgozását igénylő feladatokat a SZTAKI platformján az eredetileg tervezettnél ötvenszer gyorsabban tudták elvégezni a víruskutatók, aminek köszönhetően a részeredményeket már pár óra alatt kézhez vehették.

Az eredmények szerint a vírust több országból hozták be Magyarországra, főleg Nyugat-Európából. A kutatás megerősítette azt is, hogy szükség volt a kijárási korlátozásokra, ugyanis március közepén, a korlátozások bevezetésekor már az ország több pontján is megfigyelhető volt a vírusfertőzés helyi terjedése.

Nemzetközi projektben is részt vesz a SZTAKI felhője

A SZTAKI a Wigner Fizikai Kutatóközponttal közösen márciusban ajánlotta fel a hazai kutatási felhő, az MTA Cloud több ezer processzort és több terabájt memóriát számláló kapacitását magyar víruskutatóknak. Vannak már folyamatban lévő hazai projektek, de továbbiakat is várnak.

A hazai kutatásokkal párhuzamosan, a felhő szabad kapacitásait a nemzetközi Folding@home projektbe is bekapcsolták, ahol több, a járvánnyal és a vírussal kapcsolatos számítást is végeznek. A SZTAKI gépei az elmúlt pár hétben több mint 8000, úgynevezett work unitot, azaz számítási feladatot végeztek el. Összehasonlításképpen: egy átlagos, otthoni számítógépnek ugyanennyi feladat elvégzése körülbelül 4-5 évbe telt volna.

Matematikai modellekkel és mesterséges intelligencia alapú megoldásokkal támogatják a vírus elleni küzdelmet

A Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet (Rényi) is több szálon kapcsolódott a járvánnyal kapcsolatos kutatásokhoz, amelyeknek egy részét a Hálózatok dinamikája és struktúrája ERC szinergia pályázat (Dynamics and Structure of Networks ERC Synergy) pályázat fog össze. Az egyik irány a vírusterjedési dinamikák megértése matematikai modellek alkalmazásával a járványelőrejelzés lehetőségeinek feltárása céljával. A Lovász László társirányításával folyó kutatásban a Rényi kutatói mellett részt vesznek többek között az ELTE, a CEU és a Szegedi Tudományegyetem matematikai kutatócsoportjának tagjai is. Mindkét csoport más-más matematikai modellezési megközelítésre építi kutatásait. Az előrejelző modellek járványügyi alkalmazását illetően fontos kérdés, hogy kiaknázható-e a két módszer közötti szinergia.

Az együttműködés keretein belül hasznosulnak a Rényi egy korábbi kutatásának, a mesterséges intelligencia alapú Virtuális Orvosi Kutatószoba prototípus fejlesztésnek az eredményei is. Az orvosszakmai és betegéletút-adatok biztonságos kezelési protokollja nagyon hasznos támogatást nyújthat a betegellátó rendszer különböző területein fellelhető adatok összegyűjtésében és egységes kezelésében, amelyre a koronavírus-járvány terjedésének modellezéséhez szükség van.

Az intézet Mesterséges Intelligencia csoportja által korábban kifejlesztett fényképkészítő és -feltöltő alkalmazás tette lehetővé a Semmelweis Egyetem Teledermatológia távbőrgyógyászati alkalmazásának rendkívül gyors kifejlesztését. A szigorú adatvédelmi előírásoknak való megfeleltetést követően egy gyors átalakítással lehetővé vált, hogy a koronavírus-járvány idején ez az alkalmazás biztonságos segítséget nyújtson a bőrgyógyászati betegek ellátásában.

A Rényi egy másik kutatási iránya a pooling vírustesztek elméleti és gyakorlati hatékonyságának vizsgálata, mely projektben a Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) kutatója is közreműködik. Az intézet a koronavírussal kapcsolatos tájékoztatásból is kiveszi a részét.

A vírus terjedését modellezték mobilcella adatok segítségével

A Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Lokációs Big Data-laboratóriumának kutatói a koronavírus megbetegedések terjedésének földrajzi vizsgálatát végezték el valós mobilcella adatok alapján. A vizsgálat újdonságát az adja, hogy szimuláció helyett nagy térbeli felbontású, valós adatokon elemezték a megbetegedések terjedésének földrajzi sajátosságait. A kutatók a mobilcella-adatok alapján az egy helyen, egy időben jelenlévő felhasználók közötti kontaktusszámot vizsgálták. A kutatás 5,7 millió felhasználó adatainak elemzését és mozgóképes megjelenítését tette lehetővé, a térbeli felbontása 100-200 méteres léptékű.

A kutatás eredményeként visszajelzés adható a jelenlévő népesség térbeli mozgásáról és időbeli dinamikájáról, akár valós időben is. Ezzel közlekedési csomópontok, intézmények, kereskedelmi központok látogatottságának megfigyelése is lehetséges, amely a lokális kockázat-előrejelző rendszerek működtetéséhez teremt biztonságos alapot. A kutatás megjeleníti a nemzetközi tanulmányokban jelzett diagnosztizálatlan fertőzöttek által terjesztett megbetegedések terjedését, és szimulálja a különböző korlátozó intézkedések hatásait.

 

Az EK kutatóreaktorának kapacitásait ajánlotta fel virológiai kutatásokra

Az Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Vékonyréteg-fizika Laboratóriumának kutatói egy hazai gyártású ezüst nanoszemcséket tartalmazó fertőtlenítőszer hatékony felhasználásával kapcsolatban végeztek kutatást a gyártó cég felkérésére. A kísérleteket az EK Műszaki Fizika és Anyagtudományi Intézetében egy 2018. évi VEKOP-pályázat keretében beszerzett elektronmikroszkóppal végezték, amelyet jelenleg is az ország legjobb atomi felbontású eszközeként tartanak számon. Az eredmények biztatóak abból a szempontból, hogy az ezüst-nanoszemcsés fertőtlenítővel kezelt közösségi terek és járművek biztonságosak lehetnek a járványidőszakban is.

Az EK kutatóreaktorának anyagvizsgálati lehetőségeit ajánlotta fel vírussal kapcsolatos kutatásokra. A reaktorból kijövő neutronnyalábokkal a kutatók neutronszórással tudják vizsgálni a vírusoknak vagy azok környezetének, a kapcsolódó sejtmembránoknak a szerkezetét. Más analitikai eszközökhöz képest a neutronszórás egy emberi hajszál átmérőjénél százszor vagy ezerszer kisebb – 0.1 és 1 mikrométer – méretű egységek szerkezetének és funkcióinak a tanulmányozását teszi lehetővé, így nagyon fontos információkkal szolgálhatnak a SARS-COV-2 tanulmányozásához. A neutronspektroszkópia képes követni az atomi méretű csoportok mozgását, deformálódását a néhány atomot alkotó csoporttól a néhány ezer vagy tízezer atomból álló méretekig, ami elengedhetetlen a diagnosztikai és terápiás hatóanyagok optimalizálásához.

Az ÖK DAMA protokollja segítheti a járványok előrejelzését a jövőben

Az Ökológiai Kutatóközpontban (ÖK) jelenleg két kutatócsoport működik, amelyek több hazai és külföldi egyetemmel és kutatóintézettel közösen kutatásokat végeznek azért, hogy a fenyegető, új betegségek elleni hatékony küzdelemhez és a járványok megelőzéséhez tudományos hátteret biztosítsanak. Az ÖK hosszú távú célja, hogy az általuk elsőként kidolgozott DAMA-protokoll alapján egy nemzeti programot valósítsanak meg, amely később nemzetközi kutatói hálózattá bővülhet. A DAMA angol mozaikszó jelentése: Document − adatgyűjtés, Assess − értékelés, Monitor − folyamatos figyelés, Act − cselekvés.

Tevékenységük lehetővé teszi bizonyos korokozók vagy vektoraik felbukkanásának, illetve járványok kitörésének előrejelzését. Evolúciós ökológiai kutatásaik során nyert tapasztalataik révén a védekezési gyakorlatba beépíthető szakmai tanácsokat és tájékoztatást nyújthatnak majd a döntéshozók és a lakosság számára, amivel elősegítik a társadalmi összefogást a hatékony megelőzés érdekében.

Járványtörténelem és ingyenesen elérhető anyagok a BTK jóvoltából

Ezenkívül, az intézet több mint hetven kötetet, folyóiratokat, oktatási és ismeretterjesztő anyagokat, illetve nemzetközi projektek iratait tette ingyen elérhetővé a saját honlapján, és a kínálatot folyamatosan bővítik. A BTK TTI „Lendület” Szent Korona Kutatócsoport és a FilmEver Stúdió online oktatási célra felajánlotta az Oktatási Hivatalnak „A Szent Korona és koronázási kincseink nyomában” című ismeretterjesztő filmet. A BTK Régészeti Intézetének Archaeogenetikai Laboratóriuma szájmaszkokból, védőkesztyűkből, védőoverallokból, kéz- és lábvédőkből álló csomagot küldött az Országos Mentőszolgálat állomásaira.

A BTK Néprajztudományi Intézet Járványfolklór című cikksorozata annak jár utána, hogy hogyan vált folklórtémává a koronavírus a Facebookon. A BTK Művészettörténeti Intézet Pulszky Ferenc ajándoka címmel online virtuális kiállítást nyitott az Evangélikus Országos Múzeummal együttműködésben. A BTK Zenetudományi Intézet folyamatosan modernizálja Hangarchívumát, amely az elmúlt évszázad szinte valamennyi népzenei vonatkozású gyűjtését tartalmazza. A BTK Irodalomtudományi Intézet oldalán a nemzeti klasszikusok kritikai kiadásai olvashatók. A BTK Filozófiai Intézet pedig folyamatosan frissíti a Magyar Filozófiai Archívumát, amely digitalizált dokumentumokat és biográfiai adatokat tartalmaz a magyar filozófia történetéből, ezzel támogatva az otthonról történő kutatást és forráskeresést.