Как ученые обнаруживают новые варианты вируса, вызывающего COVID-19? Ответ - процесс, называемый секвенированием ДНК.
Исследователи секвенируют ДНК, чтобы определить порядок четырех химических строительных блоков или нуклеотидов, из которых она состоит: аденина, тимина, цитозина и гуанина. От миллионов до миллиардов этих строительных блоков, соединенных вместе, вместе составляет геном , содержащий всю генетическую информацию, необходимую организму для выживания.
Когда организм реплицируется , он копирует весь свой геном, чтобы передать его потомству. Иногда ошибки в процессе копирования могут приводить к мутациям, при которых один или несколько строительных блоков меняются местами, удаляются или вставляются. Это может изменить гены , инструкции для белков, которые позволяют организму функционировать, и в конечном итоге может повлиять на физические характеристики этого организма. Например, у людей цвет глаз и волос является результатом генетических изменений, которые могут возникнуть в результате мутаций. В случае вируса, вызывающего COVID-19, SARS-CoV-2 , мутации могут изменить его способность к распространению, вызвать инфекцию или даже ускользнуть от иммунной системы, пишет medicalxpress.com.
Мы одновременно биохимики и микробиологи, которые преподают и изучают геномы бактерий. Мы оба используем секвенирование ДНК в наших исследованиях, чтобы понять, как мутации влияют на устойчивость к антибиотикам. Инструменты, которые мы используем для секвенирования ДНК в нашей работе, аналогичны инструментам, которые ученые используют сейчас для изучения вируса SARS-CoV-2.
Как секвенированы геномы?
Одним из первых методов, которые ученые использовали в 1970-х и 1980-х годах, было секвенирование по Сэнгеру , которое включает разрезание ДНК на короткие фрагменты и добавление радиоактивных или флуоресцентных меток для идентификации каждого нуклеотида. Затем фрагменты пропускают через электрическое сито, которое сортирует их по размеру. По сравнению с более новыми методами секвенирование по Сэнгеру выполняется медленно и может обрабатывать только относительно короткие участки ДНК. Несмотря на эти ограничения, он предоставляет высокоточные данные , и некоторые исследователи все еще активно используют этот метод для секвенирования образцов SARS-CoV-2 .С конца 1990 - х годов , следующего поколения секвенирования революцию , как исследователи собирают данные о и понять геномы. Эти технологии, известные как NGS, могут одновременно обрабатывать гораздо большие объемы ДНК, что значительно сокращает время, необходимое для секвенирования генома.
Существует два основных типа платформ NGS: секвенсоры второго и третьего поколения.
Технологии второго поколения могут считывать ДНК напрямую. После того, как ДНК разделена на фрагменты, добавляются короткие отрезки генетического материала, называемые адаптерами, для придания каждому нуклеотиду разного цвета. Например, аденин окрашен в синий цвет, а цитозин - в красный. Наконец, эти фрагменты ДНК загружаются в компьютер и снова собираются во всю геномную последовательность.
Технологии третьего поколения, такие как Nanopore MinIon, напрямую секвенируют ДНК, пропуская всю молекулу ДНК через электрическую пору в секвенаторе. Поскольку каждая пара нуклеотидов определенным образом нарушает электрический ток, секвенсор может считывать эти изменения и загружать их прямо в компьютер. Это позволяет врачам секвенировать образцы в клинических и лечебных учреждениях на местах. Однако последовательности нанопор меньшего объема ДНК по сравнению с другими платформами NGS.
Хотя каждый класс секвенсоров обрабатывает ДНК по-своему, все они могут сообщать о миллионах или миллиардах строительных блоков, из которых состоит геном, за короткое время - от нескольких часов до нескольких дней. Например, Illumina NovaSeq может секвенировать примерно 150 миллиардов нуклеотидов, что эквивалентно 48 геномам человека, всего за три дня.
Использование данных секвенирования для борьбы с коронавирусом
Так почему же секвенирование генома является таким важным инструментом в борьбе с распространением SARS-CoV-2?Быстрые ответные меры общественного здравоохранения на SARS-CoV-2 требуют глубоких знаний о том, как вирус меняется с течением времени. Ученые использовали секвенирование генома для отслеживания SARS-CoV-2 почти в реальном времени с начала пандемии. Миллионы отдельных геномов SARS-CoV-2 были секвенированы и размещены в различных публичных репозиториях, таких как Глобальная инициатива по обмену данными о птичьем гриппе и Национальный центр биотехнологической информации .
Геномный надзор определяет решения общественного здравоохранения по мере появления каждого нового варианта. Например, секвенирование генома варианта омикрон позволило исследователям обнаружить более 30 мутаций в шиповатом белке, который позволяет вирусу связываться с клетками человеческого тела. Это делает омикрон поводом для беспокойства, поскольку известно, что эти мутации способствуют способности вируса распространяться. Исследователи все еще изучают, как эти мутации могут повлиять на серьезность инфекций, вызываемых омикроном, и насколько хорошо он может избежать применения нынешних вакцин.
Секвенирование также помогло исследователям идентифицировать варианты, которые распространились в новые регионы. Получив образец SARS-CoV-2, взятый у путешественника, который вернулся из Южной Африки 22 ноября 2021 года, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско смогли обнаружить присутствие омикрона за пять часов и имели почти весь геном. последовательность в восемь. С тех пор Центры по контролю и профилактике заболеваний следят за распространением omicron и консультируют правительство о способах предотвращения широко распространенной передачи среди населения.
Быстрое обнаружение OMICRON во всем мире подчеркивает мощь надежного геномного наблюдения и значение обмена геномных данных по всему земному шару. Понимание генетического состава вируса и его вариантов дает исследователям и должностным лицам общественного здравоохранения представление о том, как лучше всего обновить руководящие принципы общественного здравоохранения и максимально увеличить выделение ресурсов на разработку вакцин и лекарств. Предоставляя важную информацию о том, как сдержать распространение новых вариантов, геномное секвенирование спасло и будет продолжать спасать бесчисленное количество жизней в ходе пандемии.
