Das DARPA-Projekt „PROPHECY“ entwickelt mögliche Krankheitserreger als Grundlage für neue Impfstoffe

Von Jon Fleetwood

Ein weitreichendes, institutionenübergreifendes Vorhaben zur „Vorhersage“ künftiger Eigenschaften von Krankheitserregern, zur Entwicklung von Impfstoffen „noch bevor sie benötigt werden“ und zum Aufbau genau jener Systeme, die zur Validierung dieser Vorhersagen dienen sollen.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) widmete die frühen 2010er Jahre dem Aufbau einer Infrastruktur zur vorausschauenden Impfstoffentwicklung, die wohl die ehrgeizigste war, die jemals in Angriff genommen wurde: ein weitreichendes, institutionenübergreifendes Projekt, dessen Ziel es war, die zukünftigen Eigenschaften mutmaßlicher Krankheitserreger zu ermitteln, bevor diese auftraten, und diese Vorhersagen schließlich zu nutzen, um Medikamente und Impfstoffe zu entwickeln, noch bevor sie benötigt wurden.

Das Programm mit dem Namen PROPHECY – kurz für „Pathogen Defeat“ – wurde 2010 im Rahmen der Broad Agency Announcement DARPA-BAA-10-93 angekündigt und vom Defense Sciences Office der DARPA geleitet.

Die DARPA selbst beschrieb den auf Impfstoffe ausgerichteten Zweck des Programms unmissverständlich.

So die Behörde:

„Das Prophecy-Programm (Pathogen Defeat) wird die Evolution von Viren erforschen, in der Hoffnung, virale Mutationen vorherzusagen und letztendlich Medikamente und Impfstoffe zu entwickeln, noch bevor sie benötigt werden.“

Die Bemühungen beschränkten sich nicht auf Coronaviren, Influenza oder eine andere einzelne Krankheitskategorie.

Die DARPA erklärte wiederholt, das Ziel sei es,

„die natürliche Evolution jedes beliebigen Virus“

zu verstehen. Das Ergebnis war eine riesige Architektur, die Forscher aus den Bereichen maschinelles Lernen, Statistik, Bioinformatik und computergestützte Biologie sowie Laborwissenschaftler, Überwachungsspezialisten, Universitäten, Auftragnehmer und nationale Laboratorien in einem einzigen „prädiktiven“ Rahmen zusammenführte.

Gestern berichtete diese Website, dass das PROPHECY-Programm der DARPA bereits Jahre vor der COVID-19-Pandemie und fast ein Jahrzehnt vor dem DARPA/DEFUSE-Vorschlag auf das Labor des Coronavirus-Forschers Ralph Baric ausgeweitet wurde, wobei alle drei charakteristischen Strukturmerkmale des SARS-CoV-2-Spike-Proteins bereits vor dem Ausbruch dokumentiert worden waren.

Die DARPA wollte die Impfstoffentwicklung von einem reaktiven zu einem prädiktiven Ansatz umgestalten

Die DARPA vertrat offen die Ansicht, dass die bestehende Impfstoffentwicklung verkehrt herum funktioniere.

Die Behörde beschrieb das moderne pharmazeutische Modell als:

„beobachtend und reaktiv“.

PROPHECY sollte dieses Modell durch ein Modell ersetzen, das

„vorausschauend und präventiv“

war. Anstatt abzuwarten, bis vermeintliche zukünftige Krankheitsbedrohungen auftraten, bevor mit der Charakterisierung und der Entwicklung von Gegenmaßnahmen begonnen wurde, suchte die DARPA nach Systemen, die in der Lage waren, die Eigenschaften zukünftiger Pathogenpopulationen im Voraus zu bestimmen.

Alles bei PROPHECY leitete sich aus diesem Ziel ab.

Den Entwurf vor dem Erreger erstellen

Die Ambitionen der DARPA reichten weit über die Vorhersage von Ausbrüchen hinaus.

Die Behörde erklärte:

„Die DARPA strebt danach, die Fähigkeit zu erlangen, die natürliche Evolution jedes Virus erfolgreich vorherzusagen – mithilfe von Plattformen und Algorithmen, die in der Lage sind, seltene vorteilhafte virale Ereignisse zu überwachen …“

Das Programm suchte nach Systemen, die in der Lage sind, Folgendes zu bestimmen:

• zukünftige Mutationen,
• zukünftige Reassortierungen,
• zukünftige genetische Ereignisse,
• die Reihenfolge, in der Mutationen auftreten würden,
• Beziehungen zwischen Genotyp und Phänotyp
• und letztendlich die Eigenschaften zukünftiger Pathogenpopulationen.

Die DARPA räumte ein:

„Derzeit gibt es keine zuverlässige Möglichkeit, virale Reassortierungen oder Mutationen vorherzusagen, die für das Auftreten neuer Virusstämme verantwortlich sind.“

Die vorgeschlagene Lösung lautete:

„Eine Forschungsplattform zur Vorhersage von Mutationen und möglicherweise Reassortments, bevor diese auftreten.“

Die Behörde erklärte weiter, dass PROPHECY Folgendes anstrebte:

„vorausschauende Algorithmen zur Virusevolution, die auf der Grundlage biologischer Hochdurchsatzplattformen entwickelt und experimentell validiert werden …“

sowie:

„die Integration einer Plattform zur Virusevolution mit einem Algorithmus, der Mutationen vorhersagt, die der Viruspopulation einen evolutionären Vorteil verschaffen.“

Zu den formalen Anforderungen des Programms gehörte die Fähigkeit,

„die genomischen, proteomischen und/oder funktionellen Eigenschaften der endgültigen Viruspopulation reproduzierbar vorherzusagen.“

Die DARPA strebte zudem an, Folgendes zu bestimmen:

„die Rate und Reihenfolge des Erwerbs von Mutationen“

sowie

„die Korrelation zwischen Genotyp und Phänotyp.“

Das Ziel waren nicht bloß einzelne Mutationen.

Es ging um die Endpopulation selbst.

Die Vorhersage war nur die erste Ebene

PROPHECY war nie darauf ausgelegt, bei der Vorhersage Halt zu machen.

DARPA verlangte von den Teilnehmern, sogenannte

„biologische Validierungssysteme“

zu entwickeln, und betonte wiederholt:

„die Erprobung und Validierung des Systems und des Algorithmus“.

Die Ausschreibung wies die Teilnehmer an:

„Führen Sie einen ‚Realwelt‘-Test des Vorhersagealgorithmus und des biologischen Validierungssystems durch …“

Der Zweck dieser Übung bestand darin, festzustellen, ob die Forscher in der Lage waren:

„die genomischen, proteomischen und/oder funktionellen Eigenschaften der resultierenden Viruspopulation reproduzierbar vorherzusagen.“

Die DARPA wies die Teilnehmer ferner an:

„eine Forschungsstrategie zu entwickeln und Kooperationen mit Partnern anzustreben“,

die dabei helfen sollten:

„ihre Vorhersagemethodik auf Überwachungsdaten aus der realen Welt anzuwenden.“

Die von PROPHECY beschriebene Architektur ging daher über die reine Vorhersage hinaus.

Das Programm zielte darauf ab, Systeme zu entwickeln, die nicht nur in der Lage sind, zukünftige Blaupausen von Krankheitserregern zu erstellen, sondern auch versuchen, diese Vorhersagen experimentell und durch anschließende Beobachtungsrahmen zu validieren.

Fazit

Inmitten der Debatten um COVID-19 hat sich die öffentliche Aufmerksamkeit auf spätere Programme wie DEFUSE, ADEPT, pandemische mRNA-Plattformen und die „Operation Warp Speed“ konzentriert.

Doch PROPHECY bestätigt, dass die DARPA bereits 2010 offen versuchte, eine verallgemeinerte Vorhersageinfrastruktur aufzubauen, die in der Lage war, die zukünftigen Eigenschaften mutmaßlicher Krankheitserreger zu bestimmen, diese Vorhersagen zur frühzeitigen Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen zu nutzen und Systeme zu konstruieren, die diese Vorhersagen experimentell und durch spätere Beobachtungsrahmen validieren sollten.

Vor allem aber war diese Initiative niemals auf eine einzelne Krankheit ausgerichtet.

PROPHECY strebte den Aufbau dieser Fähigkeit für

„jedes Virus“

Ob man es nun als prädiktive Biodefense, vorausschauende Genomik, präventive Entwicklung von Gegenmaßnahmen oder etwas anderes betrachtet – die von der DARPA beschriebene Architektur folgte einer bemerkenswert konsistenten Abfolge:

• Impfstoffe als Ziel;
• Blaupausen zukünftiger Krankheitserreger als grundlegende Technologie;
• „Validierungs“-Systeme als letzte Ebene.

Diese Architektur könnte sich letztendlich als eine der folgenreichsten und am wenigsten verstandenen Entwicklungen in der Geschichte der modernen Biodefense-Forschung erweisen.