ViroNEXT: A multilayer hybrid system for high-precision detection of known and divergent viruses in metagenomics
إن ViroNEXT هو مسار هجين متعدد الطبقات، مفتوح المصدر، ومؤتمت بالكامل، يجمع بين النهج القائم على المراجع ونهج تعلم الآلة لتحقيق كشف عالي الدقة لكل من الفيروسات المعروفة والفيروسات شديدة التباين في البيانات الميتاجينومية، مع تقليل التصنيفات الإيجابية الكاذبة بشكل كبير.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم صحة الإنسان الخفي، تُعد الفيروسات مسافرين دائمين؛ بعضها يسبب أمراضاً مألوفة، والبعض الآخر يظل مختبئاً حتى يضرب. لعقود من الزمن، اعتمد الأطباء على اختبارات مستهدفة للعثين على هؤلاء الغزاة، لكن تلك الاختبارات تتطلب معرفة ما تبحث عنه بدقة مسبقاً. فإذا تغير شكل الفيروس أو ظهر لأول مرة، فإن الاختبارات القياسية غالباً ما تخطئه تماماً. ويقدم نهج أحدث، يسمى التسلسل الميتاجينومي (metagenomic sequencing)، مساراً مختلفاً. فبدلاً من مطاردة مشتبه به محدد، تقرأ هذه الطريقة كل خيط من الخيوط الجينية في العينة، مثل فرز مكتبة ضخمة للعثور على كتاب واحد دون معرفة عنوانه. وبينما يحمل هذا الأسلوب وعداً بالعثور على أي فيروس، فقد عانى من مشكلتين رئيسيتين: فهو غالباً ما يخطئ بين الضجيج الجيني غير الضار والفيروسات الخطيرة، وكثيراً ما يفشل في التعرف على الفيروسات التي تغيرت بشكل كبير عن تلك التي يعرفها العلماء.
لقد طور فريق من الباحثين الآن نظاماً جديداً يسمى ViroNEXT لحل هذه المشكلات. يعمل هذا النظام كمرشح عالي المهارة يجمع بين طريقتين مختلفتين في التفكير حول البيانات الجينية. يعمل الجزء الأول من النظام مثل أمين مكتبة تقليدي، حيث يفحص كل قطعة من الشفرة الجينية مقابل قاعدة بيانات ضخمة للفيروسات المعروفة. وإذا تم العثور على تطابق، يتم وضع علامة عليه. ومع ذلك، لا يتوقف النظام عند هذا الحد؛ بل يخضع كل تطابق محتمل لسلسلة من الفحوصات الصارمة، حيث يبحث في كيفية ترتيب الشفرة الجينية ومدى وجود الفيروس فعلياً في العينة. يضمن هذا النهج متعدد الطبقات أن النتائج الأكثر موثوقية هي فقط التي تمضي قدماً، مما يقضي بفعالية على الإنذارات الكاذبة التي عصفت بالأساليب السابقة.
أما الجزء الثاني من النظام، فقد صُمم للتعامل مع المجهول. فعندما لا يستطيع الجزء الأول من النظام إيجاد تطابق في قاعدة بياناته، يتم تمرير الشفرة الجينية إلى نموذج تعلم آلي. لا يعتمد هذا النموذج على البحث عن تطابقات دقيقة مع الفيروسات المعروفة، بل تم تدريبه على التعرف على الأنماط العامة والميزات الهيكلية التي تجعل تسلسل الشفرة الجينية يبدو كفيروس، حتى لو لم يسبق له رؤيته من قبل. ومن خلال الجمع بين دقة التحقق من القوائم المعروفة وقوة التعرف على الأنماط التي يوفرها التعلم الآلي، يمكن للنظام تحديد كل من الفيروسات المألوفة وتلك التي تطورت إلى أشكال غريبة ومتباعدة.
ولاختبار مدى كفاءة هذا النظام الجديد، أنشأ الباحثون سلسلة من السيناريوهات الصعبة. فقد بنوا عينات اصطناعية تحتوي على فيروسات ممزوجة بمواد جينية بشرية وبكتيرية، لمحاكاة الظروف الواقعية حيث يكون الفيروس المستهدف مختبئاً بين مليارات الخيوط الأخرى. وفي هذه الاختبارات، أدخلوا فيروسات ذات طفرات جينية تتراوح من صفر إلى خمسة وعشرين بالمائة اختلافاً عن النسخ المعروفة. وبينما بدأت الأدوات الأخرى في الفشل أو توليد الكثير من الإنذارات الكاذبة مع زيادة الطفرات، حافظ ViroNEXT على دقة عالية. فقد نجح في تحديد الفيروسات حتى عندما تغيرت بشكل كبير، بينما بدأت الأنظمة الأخرى في تفويتها أو الإبلاغ عن فيروسات ليست موجودة في الواقع.
كما اختبر الباحثون النظام على بيانات من العالم الحقيقي، بما في ذلك عينات من مرضى يعانون من حمى وعدوى غير مفسرة. وفي هذه الحالات السريرية، أثبت النظام جدارته مرة أخرى من خلال تقديم نتائج واضحة وموثوقة؛ حيث حدد الفيروسات المسببة للأمراض دون ملء التقرير بعشرات التخمينات غير المرتبطة وغير الصحيحة التي أنتجتها الأدوات الأخرى. وفي اختبار محدد تضمن خليطاً معقداً من واحد وعشرين فيروساً مختلفاً، حدد النظام بشكل صحيح جميعها تقريباً مع توليد إنذارات كاذبة أقل بكثير من منافسيه. بل إنه رصد ملوثاً مخفياً في عينة فاتته الأدوات الأخرى، وهو اكتشاف أكدته لاحقاً اختبارات مختبرية مستقلة.
وتتمثل إحدى نقاط القوة الحاسمة للنظام في قدرته على التعامل مع الفيروسات المختلفة جداً عن الفيروسات المعروفة لدرجة أنها لا تظهر في قواعد البيانات القياسية على الإطلاق. ففي اختبار صارم قام فيه الباحثون بإزالة عائلات كاملة من الفيروسات من المكتبة المرجعية للنظام، تمكن مكون التعلم الآلي من اكتشافها رغم ذلك. لقد تعرّف على الأنماط الفيروسية بناءً على تدريبه، واستعاد التسلسلات الجينية لهذه الفيروسات "المستجدة" بدقة عالية. وهذا يشير إلى أن النظام يمكنه رصد التهديدات الناشئة التي لم تُصنف بعد من قبل العلم، وهي قدرة ضرورية للاستعداد للأوبئة.
لقد جعل الباحثون هذه الأداة متاحة مجاناً للجمهور، مما يسمح لأي شخص باستخدامها عبر واجهة ويب دون الحاجة إلى أجهزة كمبيوتر باهظة الثمن أو تدريب متخصص. ومن خلال أتمتة العملية المعقدة لفصل الإشارات الفيروسية الحقيقية عن الضجيج الخلفي، يقدم ViroNEXT وسيلة عملية لتحسين كيفية اكتشاف وفهم العدوى الفيروسية. فهو لا يجد المزيد من الفيروسات فحسب، بل يجد الفيروسات الصحيحة، مما يمنح العلماء والأطباء صورة أوضح للعالم الخفي الذي يؤثر على صحتهم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.