AI病毒进化预测新突破,北大团队进化启发通用预测框架登Nature子刊
哈喽!今天心血来潮给大家带来了《AI病毒进化预测新突破,北大团队进化启发通用预测框架登Nature子刊》,想必大家应该对科技周边都不陌生吧,那么阅读本文就都不会很困难,以下内容主要涉及到,若是你正在学习科技周边,千万别错过这篇文章~希望能帮助到你!

编辑 |ScienceAI
蛋白质功能与物种多样性密切相关,因为蛋白质决定生物性状,而这些性状经自然选择后塑造了物种分布。达尔文进化论指出,所有进化都是基因对环境的适应。
基于此,北京大学信息工程学院田永鸿教授、陈杰副教授团队,指导博士生聂志伟、硕士生刘旭东,提出了一种基于进化论的病毒进化预测模型,该模型可跨病毒类型和毒株进行预测,为疫苗和药物的快速研发以及应对新发病毒感染提供了有力工具,并推动了对物种复杂进化机制的研究。
该研究成果发表于2025年1月17日的《Nature Machine Intelligence》期刊,论文标题为“A unified evolution-driven deep learning framework for virus variation driver prediction”。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s42256-024-00966-9
研究亮点
- 定制化蛋白质语言模型: 该研究探讨了如何定制蛋白质语言模型以适应进化预测任务,提出了一种定制化预训练策略和数据集,为蛋白质语言模型预训练与下游任务之间的权衡提供了新视角。
- 病毒进化本质问题: 该研究从进化论角度出发,提炼出病毒进化的两个核心问题,并通过“微弱突变放大”和“稀少有益突变挖掘”两个创新设计,实现了跨病毒类型和跨毒株的通用预测,实现了Science和AI的深度融合。
- 突变相互作用网络重建: 该研究构建了突变相互作用网络的重建模块(包含动态粒度注意力机制),并提出了多任务焦点损失函数,这些方法具有蛋白质通用性,可扩展应用于各类蛋白质性质预测和蛋白质定向进化。
- 多尺度进化预测: 该模型能够进行不同尺度的病毒进化预测,未来可与疫苗和蛋白类药物设计流程结合,有望显著提升设计效率和可控性。
进化驱动的通用预测框架
病毒进化以突变为基础,虽然不同病毒的进化路径各异,但共同点是大多数突变是有害的。即使有益突变与有害突变的比例会因物种和环境而异,但有害突变通常远多于有益突变。
因此,一个病毒变异株通常只包含少量突变。研究团队将病毒进化轨迹概括为“少数位点突变”和“稀少有益突变”两大特点。
这两大特点给建模带来了挑战。“少数位点突变”引起的分子内相互作用网络变化微弱,难以被神经网络直接捕获;“稀少有益突变”导致数据层面严重正负样本不平衡,难以精准预测。

图 1:E2VD 模型架构。(来源:论文)
为此,研究团队提出了进化驱动的病毒变异驱动力预测框架 E2VD(图 1),通过“微弱突变放大”和“稀少有益突变挖掘”实现了跨病毒类型和跨毒株的统一预测。
核心组件包括:面向病毒进化的定制化蛋白质大语言模型(基于国产 AI 超算“鹏城云脑 II”训练)、突变相互作用网络重建模块(包含动态粒度注意力机制)以及多任务焦点损失函数。
进化模式的精准捕获
以 SARS-CoV-2 为例,研究团队比较了定制化蛋白质语言模型与主流模型的预测性能。结果显示,定制化模型以更少的参数量实现了最佳预测效果,超越了参数量远大于其的模型,证明了定制化策略的有效性。
在各种关键病毒进化驱动力预测任务中,E2VD 显著优于其他方法,性能提升幅度达 7%-21%。大量的消融实验验证了 E2VD 对病毒进化模式的精准捕获能力,包括对不同类型突变和稀少有益突变的精准识别。
多任务焦点损失函数显著提升了预测精度,Accurate 从 57.41% 提升至 91.11%,Recall 从 15.56% 提升至 96.30%。在稀少有益突变预测中,E2VD 将预测精度从 13% 提升至 80%。

图 2:E2VD 对于突变类型的区分和稀少有益突变的精准挖掘。(来源:论文)
跨病毒类型和跨毒株的泛化性能
E2VD 在跨病毒类型和毒株时展现出强大的泛化能力。研究团队使用鲁棒的评估指标评估了模型的泛化性能,结果显示 E2VD 在新冠病毒、寨卡病毒、流感病毒和艾滋病病毒上都表现出色,始终优于其他方法。

图 3:E2VD 跨病毒类型和跨毒株的泛化性能。(来源:论文)
多尺度进化趋势预测
E2VD 可用于多尺度进化趋势预测,包括解释大流行内部进化轨迹、预测潜在高风险突变(准确率达 80%)以及预测大流行尺度的宏观进化轨迹。

图 4:E2VD 解释大流行内部进化轨迹以及预测潜在高风险突变。(来源:论文)
总结与展望
该研究为病毒进化预测提供了一种新的视角和方法,有助于理解物种进化机制,并提高应对新发病毒感染的能力。未来,研究团队计划将 E2VD 与疫苗和药物设计流程结合,以提升设计效率和可控性。
该团队自 2022 年起致力于 AI for Life Science 研究,取得了一系列成果,并获得了多个奖项。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s42256-024-00966-9
入围戈登贝尔特别奖新闻链接:https://news.pku.edu.cn/jxky/90d276ae5f8441849fd04372fd872154.htm
本篇关于《AI病毒进化预测新突破,北大团队进化启发通用预测框架登Nature子刊》的介绍就到此结束啦,但是学无止境,想要了解学习更多关于科技周边的相关知识,请关注golang学习网公众号!
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