Partnerstwo naukowców z University of New Mexico, Los Alamos National Laboratory, New Mexico State University, University of Kansas, Gorgas Memorial Institute w Panamie oraz Centrum Badań nad Zdrowiem w Ameryce Łacińskiej w Quito w Ekwadorze opracowuje nowy model przewidywania pandemii dzięki grantowi na planowanie w wysokości 1 miliona dolarów z programu Predictive Intelligence for Pandemic Prevention Phase I programu Narodowej Fundacji Nauki.

Obecnie w fazie planowania celem Pathogen Informatics Center for Analysis, Networking, Translation & Education, czyli PICANTE! jest przejście od czysto reaktywnego podejścia do pandemii do podejścia, które jest zarówno predykcyjne, jak i proaktywne. Jednym z największych wyzwań związanych ze zrozumieniem ryzyka patogenów odzwierzęcych, które przenoszą się ze zwierząt na ludzi, takich jak SARS-CoV-2 i hantawirus tutaj w Nowym Meksyku, jest wiedza o tym, jak choroby ewoluują i rozprzestrzeniają się w populacjach zwierząt.

Wysiłek PICANTE reprezentuje partnerstwa między osobami z dziedzin inżynierii, informatyki, nauk społecznych, patobiologii, epidemiologii i wirusologii. Celem projektu PICANTE jest rzucenie światła na ewolucję i rozprzestrzenianie się patogenów, zanim rozprzestrzenią się one na populacje ludzkie, poprzez badanie i wykorzystanie rozległych biorepozytoriów zamrożonych tkanek zwierzęcych znajdujących się w Muzeum Biologii Południowo-Zachodniej UNM (MSB). Ta podstawa zostanie wykorzystana do określenia społecznych, środowiskowych i biologicznych cech przyczyniających się do ryzyka pandemii.

UNM posiada największą na świecie kolekcję kriokonserwowanych tkanek ssaków połączoną z rozległą siecią międzynarodowych biorepozytoriów, podczas gdy Los Alamos National Laboratory (LANL) ma wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu metodologii modelowania ewolucji, epidemiologii i kontroli patogenów oraz mocy obliczeniowej do wdrożyć te metody. Zespół LANL, w skład którego wchodzą Ethan Romero-Severson i Emma Goldberg, opracuje metody badania ewolucyjnych relacji między żywicielami i patogenami, wykorzystując dane sekwencji patogenów pochodzące z tych biorepozytoriów, aby udokumentować historię patogenów, takich jak hantawirusy przeskakujące między różnymi żywicielami gryzoni.

New Mexico State University dodaje specjalistyczną wiedzę na temat patogenów grzybowych, a University of Kansas ma doświadczenie w genetyce ssaków, biorepozytoriach i analizach przestrzennych (GIS). Współpracujące instytucje w Panamie i Ekwadorze znajdują się na pierwszej linii frontu pojawiania się patogenów i styku człowiek/dzika przyroda. Jeśli naukowcy zrozumieją, co umożliwia lub hamuje patogeny w przemieszczaniu się między różnymi gatunkami zwierząt, naukowcy będą mogli lepiej zrozumieć ryzyko, jakie patogeny zwierzęce stanowią dla zdrowia ludzi i globalnego bezpieczeństwa.

Wykorzystując tkanki z kolekcji ssaków Muzeum Biologii Południowo-Zachodniej UNM oraz z innych współpracujących biorepozytoriów, naukowcy z PICANTE opracują metody badań przesiewowych i sekwencjonowania genetycznego w celu wyizolowania patogenów, które mogą zostać zaadoptowane przez muzea historii naturalnej na całym świecie. Ponieważ dane były opracowywane i gwarantowane przez muzea, takie jak MSB, przez dziesięciolecia, naukowcy mają dostęp do zbiorów danych obejmujących zarówno przestrzeń, jak i czas, których zebranie w innym przypadku byłoby niemożliwe.

„Od czasu niszczycielskiego pojawienia się hantawirusa w regionie Four Corners UNM utrzymuje wiodącą rolę w badaniach nad patogenami odzwierzęcymi i wysiłkach na rzecz łagodzenia ich skutków na południowym zachodzie i na całym świecie” — powiedział wybitny profesor biologii i główny badacz UNM, Joseph Cook. „Multdyscyplinarne podejście UNM zostało ułatwione dzięki bliskim powiązaniom współpracy obejmującym Centrum Nauk o Zdrowiu, międzynarodowych partnerów i różnych naukowców, którzy wykorzystują ogromne zbiory różnorodności biologicznej i powiązane zasoby informatyczne Muzeum Biologii Południowo-Zachodniej i innych biorepozytoriów historii naturalnej”.

Badając dynamiczne interfejsy środowiskowe między dziką przyrodą a społecznościami półmiejskimi i wiejskimi, zespół będzie strategicznie monitorować ścieżki przewidywania, wykrywania i łagodzenia patogenów odzwierzęcych w ogniwach pojawiających się chorób zakaźnych. Ta praca może rzucić światło na to, w jaki sposób patogeny przeskakują między gatunkami i jakie warunki prowadzą do zwiększonego ryzyka rozprzestrzeniania się na populacje ludzkie.

Wykorzystując najnowocześniejsze metody sekwencjonowania genomowego, bioinformatyczne przepływy pracy, interaktywne narzędzia internetowe oparte na geowizualizacji, modelowanie matematyczne i metody uczenia maszynowego, naukowcy będą mogli interpretować, analizować i przekazywać dane z ogromnych biorepozytoriów, aby przewidzieć następną pandemię.

„Nasze zrozumienie patogenów o wysokim potencjale rozprzestrzeniania się jest ograniczone przez naszą preferencję pobierania próbek przypadków ludzkich po tym, jak już doszło do rozprzestrzeniania się” – powiedział Romero-Severson, współkierownik projektu z Los Alamos. „Ten rodzaj reaktywnego gromadzenia danych ogranicza naszą zdolność dostrzegania wskazówek co do tego, co działo się w populacjach zwierząt przed wystąpieniem efektu ubocznego”.

SARS-CoV-2 pokazał, że pandemie stanowią globalne wyzwanie w desperackiej potrzebie nowych międzynarodowych rozwiązań opartych na współpracy. Dzięki naukowcom z dziedzin inżynierii, informatyki, nauk społecznych, patobiologii, epidemiologii, wirusologii, menedżerom dzikiej przyrody i menedżerom kolekcji muzealnych, PICANTE wychodzi naprzeciw tej potrzebie.

„Faza planowania pozwala nam rozszerzyć wysiłki na nowe sposoby, dzięki nowym inicjatywom w inżynierii, aby skuteczniej wykrywać i badać nowe patogeny ze zbiorów muzealnych, w naukach społecznych, aby ściślej i produktywniej współpracować ze społecznościami wiejskimi, oraz w naukach komputerowych, aby modelować człowieka -dynamika patogen-środowisko” – powiedział Cook.

„PICANTE oferuje naukowcom z Los Alamos i UNM nowy sposób współpracy nad niektórymi z najbardziej palących kwestii, które zdominują skrzyżowanie zdrowia publicznego i bezpieczeństwa globalnego w nadchodzących dziesięcioleciach” — dodał Romero-Severson.

Następną fazą tych wysiłków będzie pełna propozycja Centrum PIPP NSF, która ma się ukazać na początku 2024 r.