Meistens laufen wir alle in einer kleinen Blase herum, einem Abwehrsystem, das eine Bedrohung erkennen und neutralisieren kann, bevor sie uns Schaden zufügen kann. Das ist das Wunder des menschlichen Immunsystems, und erst wenn wir krank werden, wird uns bewusst, dass es überhaupt da ist.
Was wäre, wenn wir dem Planeten ein Immunsystem wie unseres geben könnten? Ein stilles Netzwerk aus Satelliten und Supercomputern, die stillschweigend alles im Auge behalten, was die nächste Pandemie auslösen könnte; bereit, den Schuldigen zu sequenzieren, und in der Lage, Impfstoffe und Behandlungen einzuführen, sobald jemand den richtigen Knopf drückt. Das ist die Vision des globalen Technologieexperten Dr. David Bray, der glaubt, dass wir „ein Immunsystem für den Planeten“ aufbauen müssen.
„Ich spreche von einem dynamischen System, das lernt, auf das zu reagieren, was in unserer Welt vorhanden ist“, sagt Bray. „Wenn Sie sich unsere Welt als einen Organismus vorstellen und wir Teile dieses Organismus sind, was müssen wir dann tun, ähnlich wie das Immunsystem unseres Körpers, um zu erkennen, dass etwas nicht Gesundes vor sich geht?“
Bray ist Distinguished Fellow am Stimson Center, einer gemeinnützigen Organisation mit Sitz in Washington, DC, die Forschung betreibt, um große, reale Probleme mithilfe von Technologie zu lösen. Er spricht mit der Geschwindigkeit seines Gehirns – schnell – wahrscheinlich, weil er viel zu erledigen hat. Ab seinem 15. Lebensjahr arbeitete er für das Energieministerium, benutzte Satelliten, um Waldbrände zu erkennen, baute Computermodelle von HIV/AIDS, promovierte in „Organisationsreaktionen auf Störungen“, informierte die CIA über Bioterrorismus und führte unabhängige Analysen durch Afghanistan-Situation für die Obama-Regierung.
Es sind nicht nur große Probleme, an deren Lösung Bray interessiert ist; es sind die nahezu unmöglichen. „Du sagst mir, dass es noch nie zuvor gemacht wurde, du sagst mir, dass es unmöglich ist, und ich sage:‚Okay, das ist es, was ich will!‘“, lacht er. Zum Beispiel Pandemien vorbeugen? Ja, sagt er, obwohl er erklärt, dass das Ziel nicht unbedingt darin besteht, sie zu verhindern, sondern sie so früh wie möglich zu erkennen und darauf zu reagieren. Was mit COVID passiert ist, sagt er, ist, dass wir zu viel Zeit verbraucht haben, bevor es ernst genommen wurde.
Aber können wir wirklich die nächste Pandemie verhindern, indem wir das Problem mit Technologie bekämpfen? Die Epidemiologin Prof. Sarah Cleaveland von der University of Glasgow ist skeptisch. „Ich denke nur, dass wir unsere Erwartungen an eine magische technologische Lösung dämpfen müssen“, sagt sie. Obwohl wir uns der Möglichkeit nähern, ein Virus oder sein Genom zu untersuchen und vorherzusagen, ob es ein Problem für den Menschen darstellen wird, ist dies derzeit „nicht möglich“, fügt Cleaveland hinzu. Nicht möglich:all die Ermutigung, die Bray braucht.
Wie KI den nächsten Ausbruch erkennen könnte
Das planetare Immunsystem ist eine Idee, die Bray 2013 der US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) vorschlug. Die DARPA war mit dem Irak und Afghanistan beschäftigt, also wurde ihm gesagt, er solle in „ungefähr sieben oder acht Jahren zurückkommen, was natürlich …“ Bray nickt erneut zur COVID-Situation. „Nun, hier sind wir jetzt.“
Im Jahr 2021 skizzierte er ein neues Schema für das Konzept, das im Zusammenhang mit der Funktionsweise unseres eigenen Immunsystems vielleicht am einfachsten zu verstehen ist. Das menschliche Immunsystem erkennt Krankheitsüberträger durch eine Vielzahl von Rezeptoren auf lebenden Zellen, die in allen Organen und Geweben verteilt sind. Ebenso stellt sich Bray ein System vor, das potenzielle Bedrohungen über ein globales Erkennungsnetzwerk aufnimmt, das Sensoren umfassen würde, die in der Luft, im Boden und im Wasser verteilt sind, sowie Programme für künstliche Intelligenz (KI), die darauf trainiert sind, seltsame Ausreißer in menschlichen Mustern zu erkennen Verhaltensweisen und Wirtschaftsmärkten, die auf eine ansteckende Störung hindeuten könnten.
Wenn eine potenzielle Bedrohung identifiziert wurde, würde die enorme Rechenleistung des Systems darauf verwendet, sie zu sequenzieren, ihre Interaktionen mit menschlichen Zellen zu charakterisieren und diese Informationen zu verwenden, um herauszufinden, wie sie gestoppt werden kann. In einer idealen Welt würde dies alles in Maschinen geschehen, mit so wenig Input von uns wie möglich, was die Reaktionszeit von Jahren auf drei oder vier Wochen reduzieren würde.
Vielleicht klingt es ein wenig abgehoben. Aber Stück für Stück machen wir bereits eine Menge davon, und es muss nur noch zusammengeführt werden. Nehmen Sie zum Beispiel seltsame Blips – etwas, auf das Bray spezialisiert ist. Zwischen 2000 und 2005 war Bray IT-Chef für das Bioterrorism Preparedness and Response Program bei den US Centers for Disease Control and Prevention, wo ein Teil seiner Arbeit darin bestand, nach Macken in Daten zu suchen die als Frühindikatoren für einen bioterroristischen Angriff dienen könnten.
Wenn der Präsident beim Super Bowl sprach, würde sein Team drei Tage im Voraus damit beginnen, die Grundwerte für den Verkauf von rezeptfreien Medikamenten, Notrufe und Schulabwesenheiten festzulegen. „Wenn ich plötzlich einen Anstieg [sah], während der Präsident sprach, könnte das ein bioterroristisches Ereignis sein“, sagt er.
Ein weiteres Beispiel ist Knoblauch in China, wo er als Allheilmittel gilt. Der Preis schoss in die Höhe, als SARS 2002 die Provinz Guangdong heimsuchte, und erneut Anfang 2020, als COVID abhob. Im Jahr 2002 gab die Erhöhung des Knoblauchpreises in Verbindung mit der zunehmenden Zahl von Autos, die auf Krankenhausparkplätzen auftauchten, Bray und seinen Kollegen einen Hinweis darauf, dass etwas im Gange war. „Wir wussten fünfeinhalb Monate, bevor es auf die Weltbühne kam, davon“, sagt er. Künstliche Intelligenz könnte diese Art von Kuriositäten nach Brays Konzept erkennen und eine Schlüsselkomponente eines Frühwarnsystems bilden.
Diese Überwachung auf Fremdheit ist nur ein kleiner Teil des Schemas. Das planetare Immunsystem würde Krankheiten durch die Kombination verschiedener Erkennungsmethoden verdoppeln.
Krankheit im Abwasser aufspüren
Als nächstes:die Kanalisation, einer der Orte, von denen Bray empfiehlt, dass wir nach Krankheitserregern suchen sollten. Auch hier gibt es einen Präzedenzfall. Im Jahr 2013 entdeckte eine Probenahme aus der Kanalisation eine stille Epidemie eines Poliovirus in Israel und löste eine Impfkampagne aus, die dazu beitrug, einen ernsteren Ausbruch von Polio abzuwenden. Jetzt helfen Abwassertests auf COVID-19 in ganz Europa und den USA Wissenschaftlern dabei, sich ein unvoreingenommenes Bild davon zu machen, wie sich das Virus ausbreitet.
Italienische Forscher analysierten beispielsweise rückblickend Proben von Rohabwasser, die vor dem offiziellen Beginn der ersten Welle gesammelt wurden, und entdeckten im Dezember und Januar Spuren des Virus in Proben aus drei italienischen Städten, Wochen bevor Ende Februar der erste nicht importierte Fall gemeldet wurde. Und laut Prof. Dragan Savic, CEO des KWR Water Research Institute in Nieuwegein, Niederlande, prüfen wir bereits neue Varianten.
Abwasser, erklärt Savic, bietet einen Einblick in buchstäblich jedermanns Geschäft. Sie müssen also nicht warten, bis Massentests in Betrieb genommen werden, oder sich Gedanken darüber machen, ob die Leute testen, wann sie sollten. „Es gibt Menschen, die keine Symptome haben, es gibt Menschen, die sich erholen – die sich nicht testen lassen – und es gibt nur begrenzte Tests“, sagt er. „Aber wir gehen alle auf die Toilette, also wenn man darüber nachdenkt, ist das eine unvoreingenommene Stichprobe.“
Unser Abwasser kann uns also einen Hinweis geben, wenn eine neu auftretende Krankheit zum ersten Mal ein neues Gebiet infiziert. Mit KI könnten dieselben Informationen auch mit anderen Datenquellen wie Wettermustern oder Menschenansammlungen kombiniert werden, um aufzudecken, wie sich ein Infektionserreger ausbreitet, und um die Zuweisung von Ressourcen zu planen.
Biosensornetzwerke
Eine weitere Schlüsselkomponente von Brays System ist ein Biosensor-Netzwerk, das er in Pflanzen und Tiere einbetten möchte. In seinem 2021-Schema beschreibt er Übertragungen von diesen Biosensoren, die in ein Supercomputing-Netzwerk eingespeist werden. Solche Biosensoren sind nicht fantastisch; Sie sind vielversprechende und in einigen Fällen bereits kommerziell entwickelte Geräte (denken Sie an Glukosesensoren für Diabetes), die auf biologischen Komponenten basieren. Laut dem synthetischen Biologen Prof. Paul Freemont, der Biosensoren am Imperial College London entwickelt, werden sie als „kostengünstige Sensorsysteme, die im Feld eingesetzt werden können“, eine große Wirkung erzielen.
Die Biosensoren von Freemont sind fluoreszierende Kügelchen, die ihre Fluoreszenz verlieren, wenn sie mit Proteasen in Kontakt kommen, bei denen es sich um Enzyme handelt, die von einer Vielzahl von Organismen verwendet werden. Viele Viren, von HIV bis Herpes, verwenden Proteasen, um sich zu replizieren. Freemont hat sie darauf zugeschnitten, verschiedene Ziele zu erkennen, darunter Proteasen aus einem Pflanzenvirus sowie aus Schistosoma mansoni , ein parasitärer Wurm. Die Technologie verwendet Komponenten, von denen die Forscher vermuten, dass sie modifiziert werden könnten, um verschiedene Krankheitserreger zu erkennen, möglicherweise in tragbaren Geräten in Regionen, in denen das Risiko einer Übertragung von Tierseuchen auf den Menschen hoch ist.
Die Einbettung von Biosensoren in Pflanzen und Tiere geht Freemont jedoch möglicherweise zu weit. Er ist nicht davon überzeugt, dass Biosensoren uns helfen würden, einer neuen Krankheit einen Schritt voraus zu sein. „Meine Frage ist:Wie können wir Sensoren einbetten, um Dinge zu erkennen, von denen wir nichts wissen?“ er sagt. „Es könnte sicherlich für bestehende Ziele und für neue Ziele, die wir kennen, nützlich sein, aber das Problem ist etwas völlig Neues. Hätten Sie genug Zeit, um dieses System neu zu gestalten und es wieder in die Wildnis zu bringen?“
Das ist eine gute Frage. Unser Immunsystem reagiert nicht nur auf Bakterien und Viren, denen es zuvor begegnet ist. Sie erkennen und schützen uns vor fremden Eindringlingen, indem sie Rezeptoren verwenden, die zwischen „selbst“ (uns) und „nicht-selbst“ (Eindringlingen) unterscheiden. Es ist schwer vorstellbar, wie wir dieses System auf planetarischer Ebene replizieren könnten. Aber wir müssen in der Lage sein, herauszufinden, was aus der Vielzahl von Unbekannten die größten Bedrohungen darstellen könnte. Dies, sagt Bray, wird „der neuste Teil“ des Systems sein.
Genomobservatorium
Dr. Kevin Esvelt, Biochemiker am Massachusetts Institute of Technology, hat seine eigenen Vorstellungen davon, wie wir neue und gefährliche Krankheitserreger erkennen sollten. Seine Theorien zielen in erster Linie darauf ab, mit dem umzugehen, was er „die absichtliche Variante“ der Pandemie nennt – seiner Meinung nach ein schwierigeres Problem als ein natürlich vorkommendes. Wieso den? Weil, sagt er, von Bioterroristen erwartet werden muss, dass sie Waffen konstruieren, um sich jeder Verteidigung zu entziehen, die wir aufbauen könnten. Wir brauchen daher einen offeneren Ansatz, um dieses Zeug zu erkennen; eine, die nicht nur neue Varianten alter Krankheiten befallen würde, sondern etwas Ähnliches, wie wir es noch nie gesehen haben.
In einem im August 2021 auf arXiv veröffentlichten Vorabdruck schlägt Esvelt ein globales Nukleinsäure-Observatorium vor, das die Genome von allem sequenzieren würde, dem wir in der Kanalisation und darüber hinaus begegnen. Aber wie würde uns dieser Ansatz helfen, die Organismen zu lokalisieren, vor denen wir besonders vorsichtig sein müssen? Wie das Papier umreißt, ist das wahre Kennzeichen jedes Organismus mit pandemischem Potenzial ungezügeltes Wachstum, das als Explosion der Ebenen seiner Genomsequenzen angesehen werden würde.
„Jede ernsthafte Bedrohung muss per Definition exponentiell wachsen“, erklärt Esvelt. „Dies sollte es uns ermöglichen, alles potenziell Problematische zu erkennen, sei es ein invasiver Schädling, eine Pflanzenfäule, ein neuartiges Pandemievirus, das nichts mit allem zu tun hat, was wir zuvor gesehen haben, oder sogar etwas völlig Neues, das [ein] Gegner entwickelt hat.“
Vielleicht könnte so etwas wie dieses Observatorium ein Schlüsselelement des Immunsystems des Planeten sein? Freemont seinerseits sagt, es sei ein „überzeugender“ Vorschlag zur Lösung des Problems der Erkennung völlig neuer Krankheitserreger. Um all dies zu tun, bräuchten wir jedoch Armeen von Probensammlern, die alle paar Tage Proben an das Labor zurücksenden. Verglichen mit dem nahtlosen Erkennungssystem, das Bray sich vorstellt, scheint dies ziemlich mühsam zu sein.
Aber Esvelt argumentiert, dass es sich lohnen würde. „Dies für die Sequenzierung am nächsten Tag zu tun, ist ein winziger Kostenfaktor im Vergleich zu den Kosten für die Sequenzierung selbst, und der Verlust eines Tages im Austausch gegen Zuverlässigkeit ist ein ausgezeichneter Kompromiss“, sagt er.
Die Sequenzierung wird uns jedoch nicht alles sagen. Alle Kandidaten mit Pandemiepotenzial müssten bis ins kleinste Detail auf molekularer Ebene untersucht werden, nicht nur um herauszufinden, ob sie echte Bedrohungen darstellen, sondern auch, wie wir sie angehen könnten. „Das wird einige Nachforschungen erfordern“, gibt Bray zu.
An der Washington State University strebt ein Projekt namens Deep VZN bereits etwas Ähnliches an. Deep VZN wird Tausende von Viren von Wildtieren in 12 Ländern charakterisieren und sich dabei auf die Virenfamilien konzentrieren, die COVID-19, Ebola und Masern hervorgebracht haben.
Projektleiter Dr. Felix Lankester sagt, sein Team plane, die molekulare Struktur von Genen zu untersuchen, deren Genom „unbekannt“ ist, und nach einer Schlüssel-Schloss-Passung zwischen Molekülen auf der Oberfläche von Viren und Rezeptoren auf menschlichen Zellen zu suchen. Sie werden auch die Wahrscheinlichkeit eines Übergreifens der Viren auf den Menschen mithilfe eines Algorithmus abschätzen und untersuchen, ob diese Viren unsere Immunabwehr umgehen oder hemmen könnten. „Diese Informationen werden für das Design und die Entwicklung von Gegenmaßnahmen, wie z. B. neue Impfstoffe und Diagnostika, zur Verfügung gestellt“, sagt Lankester.
Für die Zukunft erwartet Bray, dass viel mehr Arbeit von Maschinen erledigt wird. Da KI-Programme wie AlphaFold von DeepMind bereits große Fortschritte bei der Vorhersage der 3D-Strukturen von Proteinen machen, ist ein solches Denken möglicherweise nicht so weit hergeholt. Wenn Sie also die Schwierigkeit beiseite lassen, vorherzusagen, wie sich die Symptome bei echten Menschen entwickeln könnten (bevor jemand tatsächlich infiziert wurde), könnte all dies am Ende durchaus machbar klingen.
Wenn wir zu Brays Ideen darüber kommen, wie wir auf solche Bedrohungen reagieren sollten, werden die Dinge ein bisschen wild. Er würde uns auf Knopfdruck maschinell hergestellte Impfstoffe ausrollen lassen und schlägt sogar vor, Antikörper im Trinkwasser zu verteilen, ein Schritt, der weniger drastisch erscheinen würde, wenn wir über etwas Gefährlicheres als COVID sprechen würden. Was er ist.
„Wir sprechen nicht von einer sich langsam ausbreitenden Pandemie, wie wir sie jetzt haben. Es ist eine Zeit, in der Sie eine Stunde oder weniger zum Überleben hätten“, sagt er und schlägt vor, dass der erste Ort, an dem dies getestet werden könnte, darin bestünde, dem Einsatz von Biowaffen auf militärischen Schlachtfeldern entgegenzuwirken.
Die Frage ist:Werden die politischen Entscheidungsträger überzeugt, Pandemien vorauszudenken? Selbst nach COVID werden Warnungen von Epidemiologen immer noch ignoriert, betont Cleaveland. Hendra-Virus, eine Fledermauskrankheit, die für Pferde und Menschen tödlich sein kann, wenn sie überläuft, ist ein typisches Beispiel.
Im Jahr 2020 warnten australische und US-amerikanische Forscher vor einem hohen Überschwappungsrisiko im kommenden Winter, jedoch ohne Erfolg. „Für mich war das eine wirklich faszinierende Erkenntnis“, sagt sie. „Wir haben einen Impfstoff. Dies ist eine tödliche Krankheit. Wir hatten einen guten Hinweis darauf, dass ein Risiko auf uns zukommen würde, und trotzdem haben die Leute nicht reagiert.“ Glücklicherweise ging alles gut aus, aber nur, weil die Fledermäuse durch eine unerwartete Fruchternte in Schach gehalten wurden.
Wenn die politischen Entscheidungsträger also nicht bereit sind zu handeln, wer investiert dann in das Immunsystem für den Planeten? „Können wir eine Koalition der Willigen finden?“ fragt Bray. Es wird immer schwer zu verkaufen sein, denn wenn es funktioniert, wird nichts passieren – die Verhinderung einer Pandemie sieht einfach aus wie eine kolossale Geldverschwendung. Es sei denn, Sie leiden immer noch unter den finanziellen Folgen des letzten.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 375 des BBC Science Focus Magazine –