ウイルスの流行・進化予測するAI技術の開発とワクチン開発への応用

ウイルス感染症の制御が難しい大きな要因の一つは、ウイルスが高い変異率により急速に進化し、その性質を変化させ続ける点にあります。実際、新型コロナウイルスパンデミックでは、免疫逃避能や細胞への感染性を高め、適応度（流行拡大能力）を上昇させた変異株が相次いで出現したことで、流行の制御が困難となりました。本研究室では、タンパク質言語モデルを中心とした最先端のAI技術を活用し、ウイルスのゲノム配列からウイルスの抗原性や細胞への感染性、流行拡大能力（適応度）等の形質を予測する技術の開発を行っています。また形質予測とは逆に、特定の形質（任意の抗原性等）を付与したウイルスタンパク質をデザインする技術の開発を行っています。そしてこれらの技術を、高リスク変異株の超早期検出、ウイルスの流行・進化予測、ワクチン開発・創薬に応用する研究を展開しています。

AI for Predicting Viral Evolution and Its Application to Vaccine Development

One of the major challenges in controlling viral infectious diseases lies in the ability of viruses to evolve and alter their biological properties. During the COVID-19 pandemic, successive variants emerged with enhanced immune evasion and increased infectivity, leading to greater viral fitness—namely, transmissibility—and making epidemic control increasingly difficult.

Our laboratory develops next-generation AI technologies, centered on protein language models, to predict key viral phenotypes directly from genome sequences, including antigenicity, cellular infectivity, and epidemic fitness. In parallel, we are building AI-driven design frameworks that enable the generation of viral proteins with specified properties, such as desired antigenic characteristics. By integrating predictive and generative approaches, we aim to enable the ultra-early detection of high-risk variants, the forecasting of viral epidemic dynamics and evolutionary trajectories, and the rational design of vaccines and antiviral therapeutics.

ネクストパンデミックウイルス探索のためのAI技術の開発

ウイルス感染症の制御を困難にするもう一つの要因は、動物に由来するウイルスがヒトへ異種間伝播し、新たな感染症を突発的に引き起こしうる点にあります。例えば新型コロナウイルスパンデミックは、キクガシラコウモリが保有していたコロナウイルスに由来すると考えられています。将来のパンデミックに備えるためには、野生動物・家畜が保有するウイルスを網羅的に探索し、その性質を明らかにすることが不可欠です。本研究室では、データベースに蓄積した膨大なRNA-Seqデータから、新規ウイルスを網羅的に探索し、その性質やパンデミックリスクを推定する様々なバイオインフォマティクス技術の開発に取り組んでいます。現在は特に、宿主の遺伝子発現応答に基づきウイルス感染を検出、その性質を予測する技術の開発に取り組んでいます。 

AI for Discovering the Next Pandemic Viruses

Another major factor that complicates infectious disease control is zoonotic spillover—the transmission of viruses from wildlife to humans or livestock, leading to the emergence of novel diseases. The COVID-19 pandemic, for example, is believed to have originated from coronaviruses circulating in horseshoe bats that subsequently transmitted to humans.

Preparing for future pandemics requires comprehensive exploration, characterization, and cataloging of viruses circulating in wildlife and livestock populations. Our laboratory develops AI-based technologies to systematically identify novel viruses from large-scale wildlife- and livestock-derived RNA-seq datasets deposited in public databases. We further aim to infer their biological properties and estimate their pandemic risk. In particular, we focus on developing AI models that detect viral infections based on host gene expression responses, as well as models that predict viral phenotypes and risk potential. Through these efforts, we seek to establish a data-driven framework for pandemic preparedness grounded in large-scale genomics and AI.