In che modo il COVID-19 ha trasformato la genomica e ha cambiato per sempre la gestione dei focolai di malattie

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Se la pandemia fosse avvenuta dieci anni fa, come sarebbe stata? Senza dubbio ci sarebbero state molte differenze, ma probabilmente la più sorprendente sarebbe stata la relativa mancanza di sequenziamento genomico. È qui che l’intero codice genetico, o “genoma”, del coronavirus in un campione di test viene letto e analizzato rapidamente.

All’inizio della pandemia, il sequenziamento ha informato i ricercatori che avevano a che fare con un virus che non era mai stato visto prima. La rapida decifrazione del codice genetico del virus ha anche permesso di sviluppare immediatamente i vaccini e in parte spiega perché fossero disponibili in tempi record.

Da allora, gli scienziati hanno ripetutamente sequenziato il virus mentre circola. Ciò consente loro di monitorare i cambiamenti e rilevare le varianti man mano che emergono.

Il sequenziamento in sé non è una novità: ciò che è diverso oggi è la quantità in atto. I genomi delle varianti vengono testati in tutto il mondo a un ritmo senza precedenti, rendendo il COVID-19 uno dei focolai più testati di sempre.

Con queste informazioni possiamo quindi monitorare come forme specifiche del virus si stanno diffondendo a livello locale, nazionale e internazionale. Rende il COVID-19 il primo focolaio ad essere monitorato quasi in tempo reale su scala globale.

Questo aiuta a controllare il virus. Ad esempio, insieme ai test PCR, il sequenziamento ha aiutato a rivelare l’emergere della variante alfa nell’inverno 2020. Ha anche mostrato che l’alfa stava rapidamente diventando più prevalente e ha confermato il motivo, rivelando che aveva mutazioni significative associate a un aumento della trasmissione. Ciò ha contribuito a informare le decisioni per inasprire le restrizioni.

Il sequenziamento ha fatto lo stesso per l’omicron, identificando le sue mutazioni preoccupanti e confermando la velocità con cui si sta diffondendo. Ciò ha sottolineato la necessità per il Regno Unito di potenziare il proprio programma di potenziamento.

La strada per il sequenziamento di massa

L’importanza del sequenziamento genomico è innegabile. Ma come funziona e come è diventato così comune?

Bene, proprio come le persone, ogni copia del coronavirus ha il suo genoma, che è lungo circa 30.000 caratteri. Quando il virus si riproduce, il suo genoma può mutare leggermente a causa di errori commessi durante la copia. Nel tempo queste mutazioni si sommano e distinguono una variante del virus da un’altra. Il genoma di una variante preoccupante potrebbe contenere da cinque a 30 mutazioni.

Il genoma del virus è costituito da RNA e ciascuno dei suoi 30.000 caratteri è uno dei quattro elementi costitutivi, rappresentati dalle lettere A, G, C e U. Il sequenziamento è il processo di identificazione del loro ordine univoco. Varie tecnologie possono essere utilizzate per questo, ma una particolarmente importante per arrivare dove siamo è il sequenziamento dei nanopori. Dieci anni fa questa tecnologia non era disponibile come lo è oggi. Ecco come funziona.

Prima l’RNA viene convertito in DNA. Quindi, come un lungo filo di cotone che viene tirato attraverso un foro di spillo in un foglio di tessuto, il DNA viene tirato attraverso un poro in una membrana. Questo nanoporo è un milione di volte più piccolo di una testa di spillo. Quando ogni elemento costitutivo del DNA passa attraverso il nanoporo, emette un segnale unico. Un sensore rileva i cambiamenti del segnale e un programma per computer lo decodifica per rivelare la sequenza.

Sorprendentemente, la macchina di punta per eseguire il sequenziamento dei nanopori, la MinION, rilasciata da Oxford Nanopore Technologies (ONT) nel 2014, ha le dimensioni di una cucitrice meccanica; altre tecniche di sequenziamento (come quelle sviluppate da Illumina e Pacific BioSciences) richiedono generalmente apparecchiature ingombranti e un laboratorio ben fornito. Il MinION è quindi incredibilmente portatile, consentendo il sequenziamento a terra durante un’epidemia.

Questo è successo prima durante l’epidemia di Ebola del 2013-16 e poi durante l’epidemia di Zika del 2015-16. I laboratori pop-up sono stati istituiti in aree prive di infrastrutture scientifiche, consentendo agli scienziati di identificare l’origine di ciascun focolaio.

Questa esperienza ha posto le basi per il sequenziamento del coronavirus oggi. I metodi affinati in questo periodo, in particolare da un gruppo di ricerca sulla genomica chiamato Artic Network, si sono rivelati inestimabili. Sono stati rapidamente adattati affinché COVID-19 diventi la base su cui milioni di genomi di coronavirus sono stati sequenziati in tutto il mondo dal 2020. Il sequenziamento nanopore di Zika ed Ebola ci ha fornito i metodi per eseguire il sequenziamento su una scala mai vista prima oggi.

Detto questo, senza la capacità molto più grande delle macchine da banco di Illumina, Pacific Biosciences e ONT, non saremmo in grado di capitalizzare le conoscenze acquisite attraverso il sequenziamento dei nanopori. Solo con queste altre tecnologie è possibile eseguire il sequenziamento al volume corrente.

Quale futuro per il sequenziamento?

Con COVID-19, i ricercatori sono stati in grado di monitorare l’epidemia solo una volta iniziata. Ma la creazione di test rapidi e programmi di screening per altre nuove malattie, nonché l’infrastruttura per condurre un sequenziamento diffuso, è ora iniziata. Questi forniranno un sistema di allerta precoce per evitare che la prossima pandemia ci sorprenda.

Ad esempio, in futuro, potrebbero essere messi in atto programmi di sorveglianza per monitorare le acque reflue per identificare i microbi che causano malattie (noti come agenti patogeni) presenti nella popolazione. Il sequenziamento consentirà ai ricercatori di identificare nuovi agenti patogeni, consentendo un inizio precoce della comprensione e del monitoraggio del prossimo focolaio prima che sfugga di mano.

Anche il sequenziamento del genoma ha un ruolo da svolgere nel futuro dell’assistenza sanitaria e della medicina. Ha il potenziale per diagnosticare malattie genetiche rare, informare la medicina personalizzata e monitorare la minaccia sempre crescente della resistenza ai farmaci.

Cinque o dieci anni fa, gli scienziati stavano appena iniziando a sperimentare la tecnologia di sequenziamento su piccoli focolai virali. Gli effetti degli ultimi due anni hanno portato a un enorme aumento dell’uso del sequenziamento per monitorare la diffusione della malattia. Ciò è stato reso possibile dalla tecnologia, dalle competenze e dalle infrastrutture che si sono sviluppate nel tempo.

Il COVID-19 ha causato danni incalcolabili in tutto il mondo e ha colpito la vita di milioni di persone, e dobbiamo ancora vederne il pieno impatto. Ma i recenti progressi, in particolare nel campo del sequenziamento, hanno senza dubbio migliorato la situazione al di là di dove saremmo altrimenti.


Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.La conversazione

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