Метод максимальной энтропии предсказывает мутации вирусов и развитие болезней

Исследовательская группа под руководством лауреата Нобелевской премии по химии 2013 года Арье Варшеля из Университета Южной Калифорнии совершила прорыв в изучении мутаций ферментов. Учёные обнаружили, что статистическая мера «максимальная энтропия» позволяет предсказывать, как изменения в белках влияют на их активность, что имеет ключевое значение для понимания лекарственной устойчивости вирусов и развития наследственных заболеваний.

Арье Варшель посвятил свою карьеру изучению ферментативных реакций. Автор: Крис Шинн

После десятилетий компьютерного моделирования команда Варшеля столкнулась с ограничениями точности при прогнозировании поведения мутировавших ферментов. Переход к методам искусственного интеллекта позволил выявить чёткую корреляцию между скоростью работы фермента и его максимальной энтропией. Это открытие дало возможность использовать чисто вычислительный подход для предсказания функции фермента.

Применив этот метод к вирусам, учёные обнаружили, что для вируса гепатита C (HCV) максимальная энтропия точно предсказывает мутации, которые вирус использует для уклонения от лекарств. Это открывает путь к прогнозированию его «следующего шага» в эволюционной гонке с медикаментами. Результаты этой работы опубликованы в журнале PNAS.

«Я никогда не бросаю проблему. Я просто атакую её с разных сторон», — говорит Арье Варшель.

Однако с ВИЧ, который мутирует чрезвычайно быстро, метод оказался менее эффективным, так как не смог превзойти простой подсчёт количества мутаций.

Более впечатляющие результаты были получены при изучении наследственных заболеваний, связанных с белком миозином, который отвечает за работу мышц и слух. Максимальная энтропия продемонстрировала сильную корреляцию с болезнетворными мутациями и эффектами лекарств, действующих на эти белки. Метод оказался проще, быстрее и зачастую точнее, чем традиционное компьютерное моделирование.

В новой статье, находящейся на рассмотрении, команда Варшеля сообщает, что максимальная энтропия может даже предсказать, насколько эффективно мутировавший миозин «ходит» по внутриклеточным структурам. Это открывает новые возможности для изучения таких состояний, как наследственная глухота и кардиомиопатии.

Несмотря на то, что проблема лекарственной устойчивости ВИЧ остаётся сложной, метод максимальной энтропии становится мощным инструментом для понимания биологических систем в целом, способным трансформировать исследования в области дизайна ферментов и прогнозирования заболеваний.

Больше информации: Linfeng Hu et al, Exploring evolutionary trajectories of drug resistance, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2517715122

Источник: University of Southern California