Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir am Institut für Medizinische Informatik innovative Methoden des Maschinellen Lernens, um die Evolution von SARS-CoV-2 besser zu verstehen und neue Virusvarianten zuverlässig vorherzusagen. Obwohl KI-gestützte Modelle bereits hohe Genauigkeiten bei der Klassifikation viraler Varianten erreichen, stoßen sie bei der fortlaufenden Evolution von Viren häufig an ihre Grenzen. Neue Varianten können innerhalb kurzer Zeit entstehen und dazu führen, dass bestehende Modelle an Vorhersagekraft verlieren.

Ziel des Projekts ist es daher, Vorhersagemodelle zu entwickeln, die auch bei zeitlichen Veränderungen der Viruspopulation zuverlässig funktionieren und gleichzeitig nachvollziehbare Einblicke in ihre Entscheidungsprozesse ermöglichen.

Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der Kombination moderner Deep-Learning-Verfahren mit genomischen Sequenzdarstellungen, sogenannten Frequency Chaos Game Representations (FCGRs). Mithilfe dieser Methoden werden virale Genomsequenzen analysiert, um charakteristische Merkmale besorgniserregender Virusvarianten zu identifizieren. Durch die gezielte Berücksichtigung zeitlicher Entwicklungen untersuchen wir, wie sich die Vorhersageleistung von Modellen im Verlauf der viralen Evolution verändert und welche Ansätze eine langfristig robuste Klassifikation ermöglichen.

Darüber hinaus setzen wir Methoden der erklärbaren Künstlichen Intelligenz (Explainable Artificial Intelligence, XAI) ein, um die Entscheidungsprozesse der entwickelten Modelle transparenter zu machen und die zugrunde liegenden genetischen Merkmale besser zu verstehen. Die Verbindung von zuverlässigen Vorhersagen und nachvollziehbaren Modellen soll dazu beitragen, Veränderungen im viralen Erbgut im Kontext der Evolution besser einzuordnen und die Möglichkeiten des Maschinellen Lernens in der bioinformatischen Forschung weiterzuentwickeln. Langfristig sollen die entwickelten Ansätze auch auf andere Krankheitserreger übertragbar sein und neue Perspektiven für die genomische Analyse und Überwachung der viralen Evolution eröffnen.

Kontakt: Dr. Hannah Franziska Löchel, Moritz Grunert

Förderkennzeichen: LÖ 12 25 05