COG-UK: ricercatori detective sulle tracce del virus

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Mutazione, un termine “allarmante” che abbiamo sentito svariate volte in questi lunghi mesi. Durante questa pandemia, i ricercatori hanno monitorato costantemente le mutazioni del corredo genetico del virus (figura 1; in particolare scopriamo insieme il piano di sorveglianza: COG-UK.

Figura 1 – Cambridge Covid-19 Genomics Lab: i ricercatori coinvolti nel sequenziamento di SARS-Cov-2, partecipanti al progetto COG-UK [Photo credit: Myra Hosmillo]

Le mutazioni come impronte digitali

Ogni organismo vivente per trasmettere la propria eredità genetica, replica le proprie cellule mediante un processo biologico accuratissimo: da una molecola di DNA si sviluppano due doppie eliche identiche all’originale.

Anche i virus si replicano, con lo scopo di diffondersi con facilità e rapidità nell’organismo ospite, ma questo processo può avvenire in maniera imprecisa. I virus infatti, durante la loro replicazione, possono mutare ed è proprio per questo che il famigerato SARS Cov 2 è riuscito ad infettare l’uomo.

Il Coronavirus mentre si moltiplica nel nostro organismo, commette di tanto in tanto un errore tra le sue 30.000 basi genetiche. Spesso queste piccole mutazioni non incidono sulla virulenza del virus ma diventano marker, impronte digitali del virus e il sequenziamento del codice genetico del virus ci mostra la sua carta d’identità, la sua provenienza.

Questo “gioco” subdolo riscontrato con Coronavirus non è nuovo; nel 2014 anche un altro virus aveva ostacolato le terapie modificando continuamente il suo genoma: l’Ebola.

La storia insegna

Per contrastare la diffusione dell’Ebola, la biologa computazionale del Broad Institute Pardis Sabeti, sequenziò il genoma del virus e scoprì che, anche in questo caso per una mutazione, era avvenuto un salto di specie da animale ad uomo in Guinea. Tale tecnica è stata di grande aiuto per capire le modalità di trasmissione da persona a persona e ha agevolato la sanità.

Il professore di virologia Ian Goodfellow dell’Università di Cambridge, sostiene fortemente tale tecnica ed è stato in prima linea nella lotta contro l’Ebola infatti, nel Dicembre 2014, arrivò a Mekeni (Sierra Leone) ed in due settimane, con il suo team di 10 persone, instituì uno dei primi laboratori diagnostici che riusciva ad analizzare fino a 100 campioni al giorno. Per seguire l’evoluzione di un virus, bisognava ottenere informazioni sulla sequenza genica, quindi Goodfellow si impegnò per far arrivare a Mekeni un sequenziatore genico.

Il team ottenne 554 sequenze complete del genoma dell’Ebola da campioni di sangue, tamponi buccali, sperma e latte materno, dalla popolazione del nord e ovest del paese. Per creare un quadro completo delle varianti virali in Sierra Leone, tali risultati furono confrontati con 1019 campioni sequenziati da altri gruppi. Nel 2015 si scoprì che erano presenti almeno 9 diverse varianti del virus, di cui 8 si erano sviluppate da una singola mutazione (origine dell’epidemia di Ebola).

Da i risultati positivi del passato, nasce anche in Inghilterra il progetto COG-UK (Covid-19 Genomics UK) basato sulla “genomica epidemiologica”: i ricercatori diventano dei veri e propri detective sulle tracce del virus.

COG-UK: arma contro la pandemia

COG-UK nasce dall’unione e lo sforzo delle organizzazioni NHS, delle quattro agenzie di sanità pubblica del Regno Unito, del Wellcome Sanger Institute e dei ricercatori accademici di tutta la nazione. Tale progetto di monitoraggio della pandemia di Covid-19, lanciato nel Marzo 2020, con il sostegno di 20 milioni di sterline dal Dipartimento della Salute e assistenza sociale (DHSC), della ricerca e dell’innovazione (DUKRI) e dal Wellcome Sanger Institute, rappresenta uno dei migliori modelli al mondo.

Il progetto, guidato dal professor Sharon Peacock dell’Università di Cambridge, si basa sull’integrazione di dati genomici con dati epidemiologici e sanitari al fine di creare una forte rete di sorveglianza genomica per contrastare la diffusione del virus. Collaborando in trasparenza tra le svariate categorie coinvolte nel progetto, è stato possibile ottenere risultati importanti come il sequenziamento, ad oggi, di più di 200.000 virus.

A sbalordire è la rapidità del processo messo in atto dall’innovativo COG-UK, dall’invio dei campioni dei laboratori di prova ai laboratori di sequenziamento; memorizzare, selezionare e mettere in sequenza i positivi; gestire e analizzare i dati e integrarli per gestire i focolai; infine, ma non meno rilevante, gestire il personale e rifornire i laboratori di sequenziamento.

Perchè COG-UK è utile?

Il codice genetico del virus permette di capire la sua provenienza, i suoi passaggi da individuo a individuo e ciò può diventare un’arma contro la pandemia. La genetica anticipa le mosse scaltre del virus, riesce a bloccare l’inizio di un focolaio e a scoprire, in tempi utili, la provenienza della “miccia”. Correlare i virus riscontrati all’interno di ospedali, luoghi di lavoro, con i modelli di trasmissione nelle zone limitrofe, può dar modo di intervenire nel minor tempo possibile ed evitare ulteriori contagi.

Con tale progetto sarà più facile per i ricercatori comprendere i cambiamenti genetici che influenzano la trasmissione del virus e la gravità dei sintomi causati. I dati saranno utili per lo sviluppo di trattamenti e vaccini.

Le sequenze ottenute da COG-UK vengono condivise tempestivamente tramite ENEA (European Nucleotide Archive) e GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data). Queste informazioni sono messe a disposizione di tutti i ricercatori “detective” del mondo, per aiutarsi a livello internazionale a superare gli ostacoli che il virus pone. La rapidità dei risultati trasmessi grazie all’impegno estenuante dei ricercatori, alla bioinformatica e la genomica, sembrano contrastare egregiamente la situazione di estrema emergenza causata dal virus.

I laboratori di sequenziamento

Tra i laboratori di sequenziamento troviamo il team di Goodfellow a Cambridge, spinti da una forte esperienza su campo e pronti a questa nuova sfida, la lotta contro il Covid-19. I campioni da loro analizzati provengono dall’ospedale di Addenbrooke. Il processo di analisi prevede l’estrazione dell’ RNA del virus, l’amplificazione del genoma virale mediante PCR e il sequenziamento mediante nanopori, in sole 24 ore (figura 2).

Figura 2 - Goodfellow Lab (Cambridge) : all'interno delle "black boxes" avviene parte del processo di analisi, per evitare possibili contaminazioni. COG-UK
Figura 2 – Goodfellow Lab (Cambridge) : all’interno delle “black boxes” avviene parte del processo di analisi, per evitare possibili contaminazioni [Photo credit: Iliana Georgana]

Per ottenere maggiori risultati con rapidità, il professor Goodfellow e Rhys Grant, del Dipartimento di Biochimica dell’Università di Cambridge, hanno creato un sito web per “reclutare” volontari con competenze specifiche per effettuare test Covid-19. Grazie all’iscrizione di più di 1200 volontari, si progetta un laboratorio nazionale di analisi a Milton Keynes.

La collaborazione di più menti porta a grandi successi, perciò l’ Istituto di Cambridge di immunologia terapeutica e malattie infettive (CITIID) si avvale di ricercatori con interessi in svariati settori.

La tecnica

La tecnica che ha reso il processo di analisi dei campioni positivi al Covid-19 più rapido possibile, è il sequenziamento mediante nanopori. Il protagonista di tale tecnica è GridION (figura 3), strumento prodotto dalla società britannica Oxford Nanopore Technologies. GridION permette di passare l’RNA del virus all’interno di nanopori (nanostrutture con un foro all’interno) e registra, memorizza la sequenza dell’intero genoma (figura 4). Lo strumento collegato ad un computer, permette la lettura del genoma attraverso software.

Figura 3 - Goodfellow Lab (Cambridge): GridION, strumento che permette il sequenziamento del genoma del virus. COG-UK
Figura 3 – Goodfellow Lab (Cambridge): GridION, strumento che permette il sequenziamento del genoma del virus [Photo credit: Iliana Georgana]
Figura 4 - Goodfellow Lab (Cambridge): nell'immagine si può vedere la "flow cell" di GridION, ove viene caricato il campione d'interesse e inizia il sequenziamento
Figura 4 – Goodfellow Lab (Cambridge): nell’immagine si può vedere la “flow cell” di GridION, dove viene caricato il campione d’interesse e inizia il sequenziamento [Photo credit: Iliana Georgana]

Inoltre, per agevolare i “detective” nelle operazioni diagnostiche, si è scelto di acquistare un nuovo strumento: OpenTrons (figura 5). Dato il gran numero di campioni da analizzare, diventa sempre più facile commettere errori da parte dei ricercatori. OpenTrons è un robot, in grado di manipolare qualsiasi campione biologico liquido. Lo strumento compiendo gran parte del lavoro manuale, lascia all’analista il tempo giusto per dedicarsi alla ricerca, all’analisi del genoma virale.

Figura 5 - Goodfellow Lab (Cambridge): OpenTrons, un robot in grado di manipolare i campioni in esame. COG-UK
Figura 5 – Goodfellow Lab (Cambridge): OpenTrons, un robot in grado di manipolare i campioni in esame [Photo credit: Iliana Georgana]

Conclusioni

Grazie all’intenso programma di monitoraggio COG-UK, il mese scorso, la Gran Bretagna è stato il primo paese a identificare la nuova variante B.1.1.7.

La Dottoressa Iliana Georgana (figura 6) sottolinea:

Il Regno Unito ha sviluppato un ottimo programma di sorveglianza che ha consentito l’identificazione di nuove varianti in modo rapido e preciso.

Figura 6 - Dr.ssa Iliana Georgana, postdoc del Goodfellow Lab. COG-UK
Figura 6 – Dr.ssa Iliana Georgana, postdoc del Goodfellow Lab

Con quasi 95 milioni di casi confermati e poco meno di mezzo milione di sequenze virali in tutto il mondo, comprendiamo quanto sia importante per ogni paese investire in un buon sistema di sorveglianza per il sequenziamento e l’analisi di genomi virali. Questa pandemia potrebbe non essere l’ultima che affronteremo, quindi impariamo da essa e saremo pronti a possibili futuri ostacoli.”

Veronica Nerino

Fonti

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