Autore: Alexander Sheffner – 08/06/2020
Gli scienziati dell’Università statale di San Pietroburgo hanno creato un nuovo assemblatore per decifrare il genoma dei virus
I ricercatori dell’Università statale di San Pietroburgo, Alma Mater del presidente della Federazione Russa Vladimir Putin, continuano la battaglia scientifica contro il coronavirus, sviluppando i nuovi strumenti, che aiuteranno a disarmare, non solo il Covid-19, ma anche i suoi confratelli. Così, i bioinformatici del Centro della biotecnologia algoritmica dell’Università statale di San Pietroburgo in collaborazione con i colleghi dell’Università della California a San Diego, hanno presentato l’assemblatore metaviralSPAdes, il nuovo assemblatore, che permette di trovare e raccogliere il genoma del virus tra tante altre sequenze. L’attività di sviluppo aiuterà molto più velocemente e comodamente decifrare il genoma di patogeni, per cui, darà la possibilità di iniziare più velocemente lo sviluppo dei sistemi di test e dei vaccini contro le pericolose infezioni.
L’articolo scientifico è stato pubblicato presso la rivista Bioinformatics.
Nel momento, in cui l’umanità fa fronte a un nuovo virus, i biologi, come prima cosa, cercano di decifrare il suo genoma, è la condizione indispensabile, per una successiva diagnostica della malattia e per lo sviluppo di un vaccino. Tuttavia, se il sequenziamento deve essere effettuato durante un’epidemia del nuovo patogeno, è un problema. Per esempio, nella saliva del paziente positivo al COVID-19, che era stata impiegata per la prima decifrazione del coronavirus SARS-CoV-2, si manifestavano genomi di molti altri, nella maggior parte dei casi, virus non dannosi. Senza contare altri centinaia di batteri, che vivono in bocca delle persone e ostacolano la ricerca di sequenze del virus.
Questo esempio ci dimostra, come è importante saper risolvere un’attività di calcolo molto più complicata, rispetto alla decifrazione di un solo genoma, ovvero raccogliere metagenomi, in altre parole, kit di centinaia diversi genomi di microorganismi, viventi nello stesso ambiente. È complicato per il fatto, che il risultato di questo lavoro può presentarsi con mille sequenze, tra le quali ci saranno dei frammenti del codice genetico sia del virus, sia dei batteri e non è così facile capire quali sono, quelli che si riferiscono al patogeno sotto valutazione.
Inoltre, gli scienziati avranno per scontato un altro compito, quello di effettuare il sequenziamento di metaviroma, che in altre parole è l’identificazione di sequenze solo dei virus, che sono nascoste tra le sequenze dei batteri molto più lunghe. Successivamente, i bioinformatici dovranno raccogliere pezzo per pezzo l’intero genoma del virus, colpevole dell’epidemia.
Ancora poco fa, i ricercatori non avevano un apposito strumento, che avrebbe permesso loro di raccogliere i metagenomi del virus. Tuttavia, un gruppo di scienziati russi e americani, dall’Università statale di San Pietroburgo e dell’Università della California a San Diego, rispettivamente, ha sviluppato l’assemblatore metaviralSPAdes, che trasforma l’analisi dei risultati di sequenziamento di metaviroma in un compito semplice.
I biologi, ancora oggi, non riescono a leggere tutto il genoma, come tutti noi leggiamo un libro: dall’inizio alla fine. Invece, leggono dei piccoli frammenti, per cui, il raccoglimento di genoma, si differenzia poco dall’assemblaggio del puzzle con milioni di particelle. Spesso questo compito viene visto come uno dei più difficili problemi algoritmici in bioinformatica. Una soluzione comunque c’è, il più usato assemblatore di genoma SPAdes (Saint Petersburg Assembler), sempre creato in collaborazione da scienziati russi e americani, al giorno d’oggi è stato utilizzato in quasi 9 000 ricerche. Con il suo aiuto, gli scenziati hanno analizzato i patogeni, che hanno provocato l’epidemia di sindrome respiratoria del Medio Oriente (MERS) in Arabia Saudita, Ebola in Congo, gonorrea in Inghilterra, meningite in Ghana, febbre dengue in Sumatra e decine di altre epidemie, che sono avvenute durante gli ultimi 8 anni dal momento della creazione di SPAdes.
Non bisogna dimenticare, che l’assemblaggio di metagenoma composto da 1000 genomi è più complicato, rispetto all’assemblaggio della sequenza di un solo genoma. In un caso così, si ritrova a interpretare 1000 puzzle diversi e non uno solo, è necessario assemblare un “immagine”, le particelle della quale si sono mischiate con miliardi di particelle di altri puzzle. Per risolvere questo dilemma, tre anni fa, la squadra di scienziati russi e americani, che ha creato SPAdes, ha sviluppato un assemblatore metaSPAdes, che a sua volta, è diventato il principale assemblatore di metagenoma. Grazie al suo aiuto è diventato più facile estrarre le sequenze di virus da un grosso volume di dati, e in più, questo assemblatore metaviralSPAdes di nuova generazione è capace non solo di trovare i frammenti di genoma di virus, ma anche di raccogliere un “puzzle “completo del genoma di patogeni.
La pandemia di COVID-19 è un allarme per i biologi, che studiano la trasmissione di virus dall’animale all’uomo e ha fatto ricordare per quanto è importante studiare i diversi padroni di virus, per esempio i pipistrelli, possessori di un eccezionale sistema immunitario, che permette loro di convivere con molteplici patogeni, capaci di uccidere l’uomo. Noi necessitiamo di sapere, che malattie portano i pipistrelli, ma prima e non dopo l’inizio di pandemia.
Indubbiamente, il censimento di tutti i genomi dei virus da diversi specie animali è un complicato problema di calcolo. Tuttavia, avendo a disposizione uno strumento, come metaviralSPAdes, i biologi ora possono, ricostruire molto più facilmente i genomi di virus di pipistrelli o di ogni altra potenziale fonte di una pandemia futura.
Allo sviluppo del nuovo assemblatore di genoma hanno partecipato gli scienziati del Centro della biotecnologia algoritmica dell’Istituto della biomedicina traslazionale dell’Università statale di San Pietroburgo, Dmitriy Antipov e Mihail Raiko, vice direttore del Centro e professore all’Università statale di San Pietroburgo Alla Lapidus e anche il dirigente del laboratorio, professore dell’Università della California a San Diego, esperto di fama mondiale nel campo di bioinformatica
Pavel Pevzner. Ricordiamo, che prima, gli scienziati del Centro della biotecnologia algoritmica dell’Università statale di San Pietroburgo hanno aiutato i colleghi dell’Istituto dell’influenza Smorodinzev di San Pietroburgo, a decifrare per la prima volta il genoma della versione “russa” del virus SARS-CoV-2, il quale ha portato alla pandemia di COVID-19. RNA di questo virus è stato estratto dal tampone della ammalata donna di San Pietroburgo, il 15 marzo 2020. Inoltre, poco fa, un internazionale gruppo di scienziati sotto direzione di Pavel Pevzner ha creato un metodo di calcolo per trovare i ciclopeptidi, una classe di sostanze, della quale fanno parte tanti antibiotici famosi. Grazie a questo metodo, chiamato CycloNovo, gli scienziati hanno trovato nuovi 79 possibili candidati assassini di batteri