Un nuevo método computacional desarrollado por científicos del Instituto Broad, en Estados Unidos, puede ayudar a científicos de todo el mundo a vigilar enfermedades víricas a través de la secuenciación de los genomas de estos patógenos al más amplio nivel hasta la fecha.
El método, llamado "Agregación compacta de objetivos para hibridación integral" (“Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization” o CATCH por sus siglas en inglés), se puede usar para diseñar "cebos" moleculares para cualquier virus que se sepa infecta a los humanos y todas sus cepas conocidas.
Durante el brote del virus del Zika de 2015 y 2016, se luchó por contener la epidemia y frenar los efectos devastadores del patógeno en las mujeres embarazadas. Al mismo tiempo, científicos de todo el mundo intentaron comprender la genética de este misterioso virus.
El problema era que no hay muchas partículas de este virus en la sangre de un paciente enfermo, y buscarlo en muestras clínicas resulta terriblemente complicado. El nuevo software, de acceso público en GitHub, ayuda a salvar este obstáculo.
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.
"Dado que la secuenciación genómica se convierte en una parte crítica de la vigilancia de la enfermedad, las herramientas como CATCH nos ayudarán a detectar brotes antes y generarán más datos sobre patógenos que pueden compartirse con las comunidades más amplias de investigación científica y médica", explica el autor principal del estudio, Christian Matranga, en un comunicado.
Técnicas precursoras y sus problemas
Los científicos han podido detectar algunos virus que no abundan mucho al analizar todo el material genético en una muestra clínica, una técnica conocida como secuenciación "metagenómica ", pero el enfoque a menudo omite el material viral que se pierde en la abundancia de otros microbios y en el ADN de los propios pacientes.
Otro enfoque consiste en 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 retirado.
Los de este estudio habían utilizado con éxito cebos, formados por sondas moleculares hechas de cadenas cortas de ARN o ADN que se emparejan con fragmentos de ADN viral en la muestra, para analizar los genomas de los virus del Ébola y de la Fiebre de Lassa. Sin embargo, las sondas siempre se dirigieron a un solo microbio, lo que significa que tenían que saber exactamente lo que buscaban y no estaban diseñadas de manera rigurosa y eficiente.
La solución
Lo que los investigadores necesitaban era un método computacional para diseñar sondas que pudiera proporcionar una visión integral de los diversos contenidos microbianos en muestras clínicas, mientras que enriquecían a microbios de baja abundancia como el Zika.
"Queríamos volver a pensar cómo estábamos diseñando realmente las sondas para hacer la captura", explica la directora del estudio, Hayden Metsky, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). “Nos dimos cuenta de que podíamos capturar virus, incluida su diversidad conocida, con menos sondas de las que habíamos usado antes".
Para convertir esto en una herramienta efectiva para la vigilancia, los investigadores decidieron atacar unos 20 virus a la vez, y finalmente atacaron a las 356 especies virales que se sabe que infectan a los humanos.
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 conocidos.
Funcionamiento
Para ejecutar CATCH de manera integral, los usuarios pueden ingresar genomas de todas las formas y virus humanos que se hayan cargado en la base de datos de secuencias genéticas GenBank, del Centro Nacional de Información Biotecnológica de Estados Unidos. El programa determina el mejor conjunto de sondas en función de lo que el usuario desea recuperar, se trate de un virus o solo de un subconjunto.
Los científicos e investigadores clínicos que buscan detectar y estudiar los microbios pueden usar las sondas para capturar el ADN microbiano deseado para la secuenciación, enriqueciendo así las muestras para el microbio de interés.
Mejora de la captación y anticipación de los brotes
Las pruebas de conjuntos de sondas diseñadas con CATCH mostraron que, después del enriquecimiento, el contenido viral tenía 18 veces más datos de secuenciación que antes del enriquecimiento, lo que permite al equipo ensamblar genomas que no podrían transcribirse a partir de muestras no enriquecidas.
Utilizando CATCH, Metsky y sus colegas generaron un subconjunto de sondas víricas dirigidas a al virus del Zika y de la chikunguña, otro virus transmitido por mosquitos que se encuentra en las mismas regiones geográficas.
Junto con los genomas del virus del Zika generados con otros métodos, los datos que generaron utilizando sondas diseñadas por CATCH ayudaron a los investigadores a descubrir que el virus se había introducido en varias regiones meses antes de que los científicos pudieran detectarlo, un hallazgo que puede centrar los esfuerzos para controlar futuros brotes. .
Siddle y otros investigadores han estado trabajando con científicos en África occidental, donde son comunes los brotes virales y las fiebres difíciles de diagnosticar, para establecer laboratorios y flujos de trabajo para analizar los genomas de patógenos en el lugar. "Nos gustaría que nuestros socios en Nigeria puedan realizar eficientemente la secuenciación metagenómica de diversas muestras, y CATCH les ayuda a aumentar la sensibilidad de estos patógenos", apunta Siddle.
El método también es una forma poderosa de investigar las fiebres no diagnosticadas que se sospeche puedan tener una causa viral. "Estamos entusiasmados con el potencial de utilizar la secuenciación metagenómica para arrojar luz sobre esos casos y, en particular, la posibilidad de hacerlo localmente en los países afectados", señala Siddle.
Adaptabilidad
Una de las ventajas del método CATCH es que, a medida que se identifican nuevas mutaciones y se agregan nuevas secuencias a la base de datos, los usuarios pueden rediseñar rápidamente un conjunto de sondas con información actualizada.
Aunque la mayoría de los diseños de sondas están registrados, Metsky y Siddle han hecho públicos todos los que diseñaron con CATCH. Los usuarios tienen acceso a las secuencias de sondas reales, lo que permite a los investigadores explorar y personalizar los diseños de las sondas antes de que se sinteticen.
Los investigadores tienen la esperanza de que el método algún día pueda ser útil en aplicaciones de diagnóstico.
Referencia
Capturing sequence diversity in metagenomes with comprehensive and scalable probe design. H. Metsky et al. Nature Biotechnology, 4 February 2019. DOI: 10.1038/s41587-018-0006-x.