Во время вспышки вируса Зика в 2015-16 гг. Представители общественного здравоохранения боролись за сдерживание эпидемии и сдерживание разрушительного воздействия патогена на беременных женщин. В то же время ученые всего мира пытались понять генетику этого загадочного вируса.

Проблема была в том, что в крови больного пациента не так много частиц вируса Зика . Искать его в клинических образцах — все равно что ловить гольяна в океане.

Новый вычислительный метод, разработанный учеными Брод Института, помогает преодолеть это препятствие. Созданный в лаборатории исследователя Брод Института Пардиса Сабети, метод «CATCH» может быть использован для создания молекулярных «приманок» для любого вируса, о котором известно, что он заражает людей, и всех его известных штаммов, включая те, которые присутствуют в небольших количествах в клинических образцах, такие как Зика. Этот подход может помочь небольшим центрам секвенирования по всему миру более эффективно и с минимальными затратами проводить эпиднадзор за болезнями, что может предоставить важную информацию для борьбы со вспышками.

Новое исследование было проведено аспирантом Массачусетского технологического института Хайденом Мецки и доктором наук Кэти Сиддл, и оно появилось в сети в журнале Nature Biotechnology .

«Поскольку секвенирование генома становится критической частью эпиднадзора за болезнями, такие инструменты, как CATCH, помогут нам и другим ранее обнаружить вспышки и собрать больше данных о патогенах, которыми можно поделиться с более широкими научными и медицинскими исследовательскими сообществами», — сказал Кристиан Матранга, соучастник старший автор нового исследования, присоединившийся к местному биотехнологическому стартапу.

Ученые смогли обнаружить некоторые вирусы с низким содержанием, проанализировав весь генетический материал в клиническом образце, метод, известный как «метагеномное» секвенирование, но этот подход часто пропускает вирусный материал, который теряется в изобилии других микробов и пациента. собственная ДНК.

Другой подход заключается в «обогащении» клинических образцов для конкретного вируса. Для этого исследователи используют своего рода генетическую «приманку» для иммобилизации генетического материала целевого вируса, чтобы можно было смыть другой генетический материал. Ученые из лаборатории Sabeti успешно использовали приманки, которые представляют собой молекулярные зонды, сделанные из коротких нитей РНК или ДНК, которые соединяются с кусочками вирусной ДНК в образце, для анализа геномов вируса Эбола и Ласса. Однако зонды всегда были направлены на одного микроба, то есть они должны были точно знать, что они искали, и они не были разработаны строго и эффективно.
Им нужен был вычислительный метод для разработки зондов, который мог бы обеспечить всестороннее представление о разнообразном микробном содержании в клинических образцах, а также обогатить микробов с низкой численностью, таких как Zika.

«Мы хотели переосмыслить, как мы на самом деле проектировали зонды для захвата», — сказал Метский. «Мы поняли, что можем захватывать вирусы, включая их известное разнообразие, с меньшим количеством проб, чем мы использовали раньше. Чтобы сделать это эффективным инструментом для наблюдения, мы тогда решили попробовать нацеливаться примерно на 20 вирусов одновременно, и в конечном итоге мы масштабировали до 356 вирусных видов, известных для заражения людей «.

Сокращение от «Компактная агрегация целей для комплексной гибридизации», CATCH позволяет пользователям разрабатывать индивидуальные наборы зондов для захвата генетического материала любой комбинации видов микроорганизмов, включая вирусы или даже все формы всех вирусов, известных для заражения людей.

Для полноценного запуска CATCH пользователи могут легко вводить геномы всех форм всех вирусов человека, которые были загружены в базу данных последовательностей GenBank Национального информационного центра биотехнологии. Программа определяет лучший набор зондов на основе того, что пользователь хочет восстановить, будь то все вирусы или только подмножество. Список последовательностей зондов можно отправить одной из немногих компаний, которые синтезируют зонды для исследований. Ученые и клинические исследователи, желающие обнаружить и исследовать микробы, могут затем использовать зонды, такие как рыболовные крючки, для захвата желаемой микробной ДНК для секвенирования, тем самым обогащая образцы для интересующего микроба.

Испытания наборов зондов, разработанных с помощью CATCH, показали, что после обогащения вирусное содержание составляло в 18 раз больше данных о секвенировании, чем до обогащения, что позволяло команде собирать геномы, которые не могли быть получены из необогащенных образцов. Они подтвердили правильность метода, изучив 30 образцов с известным содержанием, охватывающим восемь вирусов. Исследователи также показали, что образцы вируса Ласса из вспышки Ласса в Нигерии в 2018 году, которые оказалось трудно секвенировать без обогащения, можно «спасти» с помощью набора разработанных CATCH зондов против всех вирусов человека. Кроме того, команда смогла улучшить обнаружение вирусов в образцах с неизвестным содержанием от пациентов и комаров.

Используя CATCH, Metsky и коллеги создали подмножество вирусных зондов, направленных на Zika и chikungunya, еще один вирус, переносимый комарами, обнаруженный в тех же географических регионах. Наряду с геномами Zika, полученными с помощью других методов, данные, которые они генерировали с использованием зондов, разработанных CATCH, помогли им обнаружить, что вирус Zika был внедрен за несколько месяцев до того, как ученые смогли его обнаружить, и это может послужить основой для борьбы с будущими вспышками ,

Чтобы продемонстрировать другие потенциальные применения CATCH, Сиддл использовал образцы различных вирусов. Сиддл и другие работали с учеными в Западной Африке, где распространены вирусные вспышки и трудно диагностируемые лихорадки, чтобы создать лаборатории и рабочие процессы для анализа геномов патогенов на месте. «Мы бы хотели, чтобы наши партнеры в Нигерии могли эффективно выполнять метагеномное секвенирование из разных образцов, а CATCH помогает им повысить чувствительность к этим патогенам», — сказал Сиддл.

Этот метод также является мощным средством для изучения невыявленных лихорадок с подозреваемой вирусной причиной. «Мы рады возможности использовать метагеномное секвенирование, чтобы пролить свет на эти случаи и, в частности, возможность сделать это локально в пострадавших странах», — сказал Сиддл.

Одним из преимуществ метода CATCH является его адаптивность. По мере выявления новых мутаций и добавления новых последовательностей в GenBank пользователи могут быстро перепроектировать набор зондов с актуальной информацией. Кроме того, хотя большинство конструкций зондов являются собственностью, Metsky и Siddle сделали общедоступными все модели, разработанные с помощью CATCH. Пользователи имеют доступ к фактическим последовательностям зондов в CATCH, что позволяет исследователям исследовать и настраивать конструкции зондов до их синтеза.

Сабети и коллеги-исследователи рады возможности CATCH улучшить крупномасштабные исследования микробных сообществ с высоким разрешением. Они также надеются, что когда-нибудь метод сможет найти применение в диагностических целях, когда результаты возвращаются пациентам для принятия клинических решений. На данный момент они воодушевлены его потенциалом для улучшения геномного эпиднадзора за вирусными вспышками, такими как Zika и Lassa, и другими приложениями, требующими всестороннего изучения микробного содержания на низком уровне.

Программное обеспечение CATCH общедоступно на GitHub . Его разработка и проверка, контролируемая Сабети и Матрангой, описана онлайн в Nature Biotechnology.