Durante el brote del virus Zika de 2015-16, los funcionarios de salud pública se apresuraron a contener la epidemia y frenar los efectos devastadores del patógeno en mujeres embarazadas. Al mismo tiempo, los científicos de todo el mundo intentaron comprender la genética de este misterioso virus.
El problema era que simplemente no hay muchas partículas de virus Zika en la sangre de un paciente enfermo. Buscarlo en muestras clínicas puede ser como pescar un pez pequeño en un océano.
Un nuevo método computacional desarrollado por científicos del Broad Institute ayuda a superar este obstáculo. Construido en el laboratorio del investigador del Broad Institute Pardis Sabeti, el método "CATCH" puede usarse para diseñar "cebos" moleculares para cualquier virus que se sabe que infecta a los humanos y a todossus cepas conocidas, incluidas las que están presentes en baja abundancia en muestras clínicas, como el zika. El enfoque puede ayudar a los pequeños centros de secuenciación en todo el mundo a realizar la vigilancia de enfermedades de manera más eficiente y rentable, lo que puede proporcionar información crucial para controlar los brotes.
El nuevo estudio fue dirigido por el estudiante graduado del MIT Hayden Metsky y la investigadora postdoctoral Katie Siddle, y aparece en línea en Biotecnología de la naturaleza .
"A medida que la secuenciación genómica se convierte en una parte crítica de la vigilancia de enfermedades, las herramientas como CATCH nos ayudarán a nosotros y a otros a detectar brotes antes y generar más datos sobre patógenos que pueden compartirse con las comunidades más amplias de investigación científica y médica", dijo Christian Matranga, uncoautor principal del nuevo estudio que se ha unido a una startup de biotecnología local.
Los científicos han podido detectar algunos virus de baja abundancia analizando todo el material genético en una muestra clínica, una técnica conocida como secuenciación "metagenómica", pero el enfoque a menudo pierde material viral que se pierde en la abundancia de otros microbios yel propio ADN del paciente.
Otro enfoque es "enriquecer" las muestras clínicas para un virus en particular. Para hacer esto, los investigadores usan un tipo de "cebo" genético para inmovilizar el material genético del virus objetivo, de modo que otro material genético pueda ser eliminado.El laboratorio Sabeti había utilizado con éxito cebos, que son sondas moleculares hechas de hebras cortas de ARN o ADN que se emparejan con fragmentos de ADN viral en la muestra, para analizar los genomas del virus Ébola y Lassa. Sin embargo, las sondas siempre se dirigieron a un solo microbio, lo que significa que tenían que saber exactamente lo que estaban buscando, y no fueron diseñados de manera rigurosa y eficiente.
Lo que necesitaban era un método computacional para diseñar sondas que pudieran proporcionar una visión integral del contenido microbiano diverso en muestras clínicas, mientras que enriquecían a los microbios de baja abundancia como el Zika.
"Queríamos repensar cómo estábamos diseñando las sondas para capturar", dijo Metsky. "Nos dimos cuenta de que podíamos capturar virus, incluida su diversidad conocida, con menos sondas de las que habíamos usado antes. Para hacer estoherramienta efectiva para la vigilancia, luego decidimos intentar dirigirnos a unos 20 virus a la vez, y finalmente escalamos a las 356 especies virales que se sabe que infectan a los humanos ".
abreviatura de "Agregación compacta de objetivos para la hibridación integral", CATCH permite a los usuarios diseñar conjuntos personalizados de sondas para capturar material genético de cualquier combinación de especies microbianas, incluidos virus o incluso todas las formas de todos los virus que se sabe que infectan a los humanos.
Para ejecutar CATCH de manera verdaderamente integral, los usuarios pueden ingresar fácilmente genomas de todas las formas de todos los virus humanos que se han cargado en la base de datos de secuencias GenBank del Centro Nacional de Información Biotecnológica. El programa determina el mejor conjunto de sondas en función de lo que el usuario quiererecuperarse, ya sean virus o solo un subconjunto. La lista de secuencias de sonda se puede enviar a una de las pocas compañías que sintetizan sondas para la investigación. Los científicos e investigadores clínicos que buscan detectar y estudiar los microbios pueden usar las sondas como anzuelos de pescapara atrapar el ADN microbiano deseado para la secuenciación, enriqueciendo así las muestras para el microbio de interés.
Las pruebas de los conjuntos de sondas diseñados con CATCH mostraron que después del enriquecimiento, el contenido viral constituía 18 veces más datos de secuenciación que antes del enriquecimiento, permitiendo al equipo ensamblar genomas que no podían generarse a partir de muestras no enriquecidas. Validaron el métodoal examinar 30 muestras con contenido conocido que abarca ocho virus. Los investigadores también mostraron que las muestras del virus Lassa del brote de Lassa 2018 en Nigeria que resultaron difíciles de secuenciar sin enriquecimiento podrían "rescatarse" mediante el uso de un conjunto de sondas diseñadas por CATCH contra todosvirus humanos. Además, el equipo pudo mejorar la detección viral en muestras con contenido desconocido de pacientes y mosquitos.
Utilizando CATCH, Metsky y sus colegas generaron un subconjunto de sondas virales dirigidas a Zika y chikungunya, otro virus transmitido por mosquitos que se encuentra en las mismas regiones geográficas. Junto con los genomas de Zika generados con otros métodos, los datos que generaron utilizando sondas diseñadas por CATCHlos ayudó a descubrir que el virus Zika se había introducido en varias regiones meses antes de que los científicos pudieran detectarlo, un hallazgo que puede informar los esfuerzos para controlar futuros brotes.
Para demostrar otras posibles aplicaciones de CATCH, Siddle usó muestras de una variedad de virus diferentes. Siddle y otros han estado trabajando con científicos en África occidental, donde los brotes virales y las fiebres difíciles de diagnosticar son comunes, para establecer laboratorios y flujos de trabajopara analizar los genomas de patógenos en el sitio. "Nos gustaría que nuestros socios en Nigeria puedan realizar eficientemente la secuenciación metagenómica de diversas muestras, y CATCH les ayuda a aumentar la sensibilidad para estos patógenos", dijo Siddle.
El método también es una forma poderosa de investigar las fiebres no diagnosticadas con una posible causa viral. "Estamos entusiasmados con el potencial de utilizar la secuencia metagenómica para arrojar luz sobre esos casos y, en particular, la posibilidad de hacerlo localmente en los afectadospaíses ", dijo Siddle.
Una ventaja del método CATCH es su adaptabilidad. A medida que se identifican nuevas mutaciones y se agregan nuevas secuencias a GenBank, los usuarios pueden rediseñar rápidamente un conjunto de sondas con información actualizada. Además, aunque la mayoría de los diseños de sondas son propietarios, Metsky y Siddle han puesto a disposición del público todos los que diseñaron con CATCH. Los usuarios tienen acceso a las secuencias de sonda reales en CATCH, lo que permite a los investigadores explorar y personalizar los diseños de las sondas antes de que se sinteticen.
Sabeti y sus colegas investigadores están entusiasmados con el potencial de CATCH para mejorar los estudios de alta resolución a gran escala de comunidades microbianas. También esperan que el método algún día pueda tener utilidad en aplicaciones de diagnóstico, en las cuales los resultados se devuelven a los pacientestomar decisiones clínicas. Por ahora, se sienten alentados por su potencial para mejorar la vigilancia genómica de brotes virales como Zika y Lassa, y otras aplicaciones que requieren una visión integral del contenido microbiano de bajo nivel.
El software CATCH es de acceso público en GitHub. Su desarrollo y validación, supervisados por Sabeti y Matranga, se describen en línea en Biotecnología de la naturaleza .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Amplio del MIT y Harvard . Original escrito por Leah Eisenstadt. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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