Відповідну імунну мішень у вірусних білків шукають за допомогою методів математичної лінгвістики.
Вакцина вчить імунітет вчасно розпізнавати збудника хвороби - до того, як він розгорнеться в повну силу. Для цього беруть мертвого або напівживого збудника і показують імунній системі, щоб вона запам'ятала, як він виглядає. Коли в організмі з'явиться справжній живий патоген, імунна система його швидко знищить. Інший варіант: взяти молекулу або шматок молекули - наприклад, фрагмент вірусного білка. Імунітет запам'ятає цю молекулярну особливість вірусу і відразу дізнається його, якщо він сам з'явиться.
Проблема в тому, що деякі віруси сильно змінюються, тобто мутують. Тому у нас досі немає вакцини від ВІЛ, і тому від грипу доводиться регулярно прищеплюватися заново. Вірусні білки влаштовані так, що віруси можуть дозволити собі досить сильні зміни в них, притому що білки будуть продовжувати працювати, як треба. Але для імунітету це катастрофа: ось тільки імунні клітини запам'ятали, як виглядає той чи інший вірусний білок, які антитіла проти нього працюють, як він вже змінився. Тому ж організм не в змозі самостійно перемогти той же ВІЛ. Імунна система не встигає за мінливістю вірусу: поки вона винаходить антитіла проти одних генетичних варіантів, вже щосили плодяться інші, проти яких колишні антитіла не працюють.
Але тут потрібно враховувати дві речі. По-перше, білок - величезна молекула, і імунні клітини запам'ятовують не весь вірусний білок цілком, а якусь його частину. По-друге, в білковій молекулі є різні області, і не всі вони можуть легко змінюватися. Є ділянки, які легко мутують, і на функції всієї молекули в цілому це майже ніяк не позначається. А є ділянки, які змінюються дуже повільно - мутації в них призводять до того, що весь білок виходить з ладу, і вірус виявляється нежиттєздатним.
Якби ми вміли знаходити такі зони у вірусних білках, які віруси не люблять змінювати, то можна було б створити ефективні вакцини навіть проти дуже мінливих вірусів. Потрібно було б взяти цю незмінну частину білкової молекули і натренувати на неї імунітет. Але як знайти у вірусному білку таку недоторканну зону? Співробітники Массачусетського технологічного інституту скористалися для цього обчислювальним методом, що застосовується в так званій обробці природничої мови - великому напрямку штучного інтелекту і математичної лінгвістики.
Методи обробки природної мови серед іншого аналізують, наскільки часто ті чи інші слова стоять поруч один з одним. І надалі, якщо машина знатиме частоту спільного вживання слів, вона зможе більш-менш правильно доповнити недописане речення. Наприклад, уявімо, що у фразі «мама мила раму» немає слова «мила». Штучний інтелект, навчений методами обробки природної мови, підставить туди дієслово «фарбувала», або «мила», або, врешті-решт, «ремонтувала» - але при цьому не підставить туди дієслова «їла», «говорила», «думала» тощо.
Ті ж принципи було вирішено використовувати при аналізі генетичних послідовностей, що кодують вірусні білки. У генетичній послідовності є зони, які терплять багато різних мутацій, але вся молекули в цілому залишається «осмисленою» - тобто білок залишається функціональним. І є інші зони, де мутації майже неприпустимі. Машинний алгоритм тренували шукати ті ділянки у вірусних білках, які здатні сильно змінюватися, для чого використовували 60 тис. послідовностей від ВІЛ, 45 тис. послідовностей від вірусу грипу і 4 тис. коронавірусних послідовностей. (Про всяк випадок уточнимо, що це не означає, що у ВІЛ є 60 тисяч білків, просто один і той же білок кодується послідовністю, яка допускає безліч мутацій в різних комбінаціях.) Сенс навчання був у тому, щоб штучний інтелект зміг потім вже в незнайомому білку відрізнити недоторканні послідовності від вільно мутованих.
Після навчання машині запропонували проаналізувати три білки від ВІЛ, вірусу грипу та коронавірусу SARS-CoV-2. Всі три білки сидять в оболонці вірусів і відповідають за контакт і впровадження в клітини, і саме їх в першу чергу бачить імунітет. У кожному з трьох алгоритм знайшов найменш мінливі частини, які могли б стати матеріалом для ефективної довгограючої вакцини. Імунітет, натренований впізнавати малозмінювані фрагменти вірусних білків, буде знищувати віруси незалежно від того, які мутації з'явилися у них в змінюваних частинах.
Насправді, такі вигідні мішені в білках вірусу грипу та ВІЛ шукають давно. У статті в Science йдеться, що результати машинного пошуку цілком узгоджуються з тими результатами, які тут вже є. Іншими словами, такий підхід цілком годиться для проектування вакцин - в тому числі і для вакцин проти нового коронавірусу.
Втім, не варто забувати, що «малозмінювані фрагменти молекули» - не означає «незмінні». Навіть у них рано чи пізно можуть з'явитися мутації, які збережуть структуру білка, але знову ж таки зроблять його невидимим для імунних клітин. Правда, такі мутації можуть з'явитися дуже і дуже нескоро. Знаючи біологію вірусу і те, як він змінюється в часі, можна передбачити, чи варто боятися такого обігу подій.
З іншого боку, інша проблема з вакцинами проти незмінюваних частин вірусного білка може полягати в тому, що такі незмінювані частини приховані в глибині молекули. І навіть якщо ми навчимо імунну систему їх розпізнавати, не факт, що антитіла зможуть виявити їх у справжньому білку справжнього вірусу. У цьому випадку бажано шукати такі ділянки вірусних білків, які були б не просто малозмінюваними, але до яких ще могли б дістатися антитіла.