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- Posted By: Veronica Pesenti
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Un nuovo strumento di sorveglianza delle malattie aiuta a rilevare qualsiasi virus umano. Il metodo computazionale aiuta gli scienziati ad esaminare i virus su una scala più ampia e completa di quanto fosse possibile in precedenza
Durante lo scoppio del virus Zika del 2015-2016, i funzionari della sanità pubblica si sono affrettati a contenere l'epidemia e a frenare gli effetti devastanti del patogeno sulle donne incinte. Allo stesso tempo, gli scienziati di tutto il mondo hanno cercato di capire la genetica di questo misterioso virus.
Il problema era che non si riscontravano molte particelle di virus Zika nel sangue di un paziente malato. Cercarlo nei campioni clinici poteva essere come cercare un ago in un pagliaio.
Un nuovo metodo di calcolo sviluppato dagli scienziati del Broad Institute aiuta a superare questo ostacolo. Costruito nel laboratorio di Pardis Sabeti, (1) ricercatore del Broad Institute, il metodo “CATCH” può essere usato per progettare “esche” molecolari per qualsiasi virus noto per infettare gli esseri umani e tutti i suoi ceppi noti, compresi quelli presenti in bassa quantità nei campioni clinici, come Zika. Questo approccio può aiutare piccoli centri di sequenziamento in tutto il mondo a portare avanti il controllo delle malattie in modo più efficiente ed economico, e potrebbe dare informazioni cruciali per il controllo delle epidemie.
Il nuovo studio è stato condotto da Hayden Metsky, (2) studente universitario del MIT, insieme alla ricercatrice postdottorato Katie Siddle, (3) e appare online su Nature Biotechnology. (4) “Poiché il sequenziamento genomico diventa una parte fondamentale del controllo delle malattie, strumenti come CATCH aiuteranno noi e gli altri a rilevare i focolai più precoci e generare più dati su patogeni che possono essere condivisi con le più ampie comunità di ricerca scientifica e medica”, ha detto Christian Matranga, (5) co-autore senior del nuovo studio che è entrato a far parte di una startup biotech locale.
Gli scienziati sono stati in grado di rilevare alcuni virus presenti in bassa quantità analizzando tutto il materiale genetico di un campione clinico, una tecnica nota come sequenziamento “metagenomico”, ma l'approccio spesso non prende in considerazione il materiale virale che si perde nell'abbondanza di altri microbi e nello stesso DNA del paziente.
Un altro approccio è quello di “arricchire” i campioni clinici di un particolare virus. Per fare questo, i ricercatori usano una specie di “esca” genetica per immobilizzare il materiale genetico del virus bersaglio, in modo che il restante materiale genetico possa essere lavato via. Gli scienziati del laboratorio Sabeti hanno usato con successo esche, sonde molecolari fatte di filamenti brevi di RNA o DNA che si accoppiano con frammenti di DNA virale nel campione, per analizzare i genomi del virus Ebola e Lassa. Tuttavia, queste sonde erano sempre rivolte a un microbo in particolare, quindi dovevano sapere esattamente quello che stavano cercando, e non erano progettate in modo rigoroso ed efficiente.
Quello di cui avevano bisogno era un metodo computazionale per la progettazione di sonde che potessero fornire una visione completa del diverso contenuto microbico in campioni clinici, arricchendo al tempo stesso i microbi presenti in bassa quantità come Zika.
“Volevamo ripensare al modo in cui stavamo progettando le sonde”, ha affermato Metsky. “Ci siamo resi conto che potevamo catturare virus, incluse le loro diversità, con meno sonde di quelle che avevamo usato prima. Per fare di questo uno strumento efficace, abbiamo quindi deciso di provare a bersagliare circa 20 virus alla volta, e alla fine abbiamo raggiunto le 356 specie virali note per infettare gli umani.”
Abbreviazione di “Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization” (Aggregazione compatta di obiettivi per l'ibridazione completa), CATCH consente agli utenti di progettare set personalizzati di sonde per catturare materiale genetico di qualsiasi combinazione di specie microbiche, inclusi virus o anche tutte le forme di virus noti per infettare gli esseri umani.
Per utilizzare CATCH in modo veramente completo, gli utenti possono facilmente inserire genomi da tutte le forme di tutti i virus umani che sono stati caricati nel database delle sequenze GenBank del National Center for Biotechnology Information. Il programma determina il miglior set di sonde in base a ciò che l'utente desidera recuperare, che si tratti di tutti i virus o solo di un sottoinsieme. L'elenco delle sequenze può essere inviato a una delle poche aziende che sintetizzano le sonde per la ricerca. Scienziati e ricercatori clinici che cercano di rilevare e studiare i microbi possono quindi utilizzare le sonde come ami da pesca per catturare il DNA microbico desiderato per il sequenziamento, arricchendo così i campioni per il microbo di interesse.
Usando CATCH, Metsky e colleghi hanno generato un sottoinsieme di sonde virali dirette a Zika e chikungunya, un altro virus trasmesso dalle zanzare trovato nelle stesse regioni geografiche. I dati che hanno generato usando sonde progettate da CATCH li hanno aiutati a scoprire che il virus Zika (6) era comparso in diverse regioni mesi prima che gli scienziati fossero in grado di rilevarlo, una scoperta che potrà essere usata per controllare futuri focolai.
Il metodo è anche un modo efficace per indagare su febbri non diagnosticate con sospetta causa virale. “Siamo entusiasti del potenziale utilizzo del sequenziamento metagenomico per far luce su questi casi e, in particolare, sulla possibilità di farlo localmente nei paesi colpiti”, ha affermato Siddle.
Un vantaggio del metodo CATCH è la sua adattabilità. Quando vengono identificate nuove mutazioni e aggiunte nuove sequenze a GenBank, gli utenti possono riprogettare rapidamente un set di sonde con informazioni aggiornate. Inoltre, Metsky e Siddle hanno reso disponibili al pubblico tutte le sonde che hanno progettato con CATCH.
Sabeti e colleghi ricercatori sono entusiasti del potenziale di CATCH di migliorare gli studi su larga scala e ad alta risoluzione delle comunità microbiche. Sono anche fiduciosi che il metodo potrebbe un giorno avere utilità nelle applicazioni diagnostiche. Per ora, sono incoraggiati dal suo potenziale di migliorare la sorveglianza genomica di epidemie virali come Zika e Lassa e altre applicazioni che richiedono una visione completa di un basso contenuto microbico.
Il software CATCH è accessibile pubblicamente su GitHub. (7) Il suo sviluppo e la sua convalida, sotto la supervisione di Sabeti e Matranga, sono descritti online su Nature Biotechnology.
Riferimenti:
(1) Pardis Sabeti
(2) Hayden Metsky
(3) Katie Siddle
(4) Capturing sequence diversity in metagenomes with comprehensive and scalable probe design
(6) Rapid genomic sequencing of Lassa virus in Nigeria enabled real-time response to 2018 outbreak
(7) GitHub - broadinstitute/catch: A package for designing compact and comprehensive probe sets.
Autrice traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Veronica Pesenti / Articolo originale: New disease surveillance tool helps detect any human virus