Secuenciación genómica: así es como los investigadores identifican omicrón y otras variantes de COVID-19.

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original, que se publicó el 20 de diciembre de 2021.

¿Cómo detectan los científicos nuevas variantes del virus que causa el COVID-19? La respuesta es un proceso llamado secuenciación del ADN.

Los investigadores secuencian el ADN para determinar el orden de los cuatro componentes químicos, o nucleótidos, que lo componen: adenina, timina, citosina y guanina. Los millones o miles de millones de estos bloques de construcción emparejados forman colectivamente un genoma que contiene toda la información genética que un organismo necesita para sobrevivir. 

Cuando un organismo se replica, hace una copia de todo su genoma para transmitirlo a su descendencia. A veces, los errores en el proceso de copia pueden provocar mutaciones en las que se intercambian, eliminan o insertan uno o más bloques de construcción. Esto puede alterar los genes, las hojas de instrucciones de las proteínas que permiten que un organismo funcione y, en última instancia, puede afectar las características físicas de ese organismo. En los humanos, por ejemplo, el color de ojos y cabello es el resultado de variaciones genéticas que pueden surgir de mutaciones. En el caso del virus que causa el COVID-19, SARS-CoV-2, las mutaciones pueden cambiar su capacidad de propagarse, causar infección o incluso evadir el sistema inmunológico.

Somos bioquímicos y microbiólogos que enseñamos y estudiamos los genomas de las bacterias. Ambos utilizamos la secuenciación del ADN en nuestra investigación para comprender cómo las mutaciones afectan la resistencia a los antibióticos. Las herramientas que utilizamos para secuenciar el ADN en nuestro trabajo son las mismas que los científicos están utilizando actualmente para estudiar el virus SARS-CoV-2.

¿Cómo se secuencian los genomas?

Uno de los primeros métodos que utilizaron los científicos en las décadas de 1970 y 1980 fue la secuenciación de Sanger, que implica cortar el ADN en fragmentos cortos y agregar etiquetas radiactivas o fluorescentes para identificar cada nucleótido. Luego, los fragmentos se pasan por un tamiz eléctrico que los clasifica por tamaño. En comparación con los métodos más nuevos, la secuenciación de Sanger es lenta y sólo puede procesar tramos de ADN relativamente cortos. A pesar de estas limitaciones, proporciona datos muy precisos y algunos investigadores todavía utilizan activamente este método para secuenciar muestras de SARS-CoV-2.

Desde finales de la década de 1990, la secuenciación de próxima generación ha revolucionado la forma en que los investigadores recopilan datos y comprenden los genomas. Conocidas como NGS, estas tecnologías son capaces de procesar volúmenes mucho mayores de ADN al mismo tiempo, reduciendo significativamente la cantidad de tiempo que lleva secuenciar un genoma. 

Hay dos tipos principales de plataformas NGS: secuenciadores de segunda y tercera generación. 

Las tecnologías de segunda generación son capaces de leer el ADN directamente. Después de cortar el ADN en fragmentos, se añaden tramos cortos de material genético llamados adaptadores para darle a cada nucleótido un color diferente. Por ejemplo, la adenina está coloreada en azul y la citosina en rojo. Finalmente, estos fragmentos de ADN se introducen en una computadora y se vuelven a ensamblar en la secuencia genómica completa.

Las tecnologías de tercera generación, como Nanopore MinIon, secuencian directamente el ADN haciendo pasar toda la molécula de ADN a través de un poro eléctrico en el secuenciador. Debido a que cada par de nucleótidos interrumpe la corriente eléctrica de una manera particular, el secuenciador puede leer estos cambios y cargarlos directamente a una computadora. Esto permite a los médicos secuenciar muestras en instalaciones clínicas y de tratamiento en el punto de atención. Sin embargo, Nanopore secuencia volúmenes más pequeños de ADN en comparación con otras plataformas NGS.

Aunque cada clase de secuenciador procesa el ADN de una manera diferente, todos pueden informar los millones o miles de millones de componentes básicos que componen los genomas en un corto tiempo (desde unas pocas horas hasta unos pocos días). Por ejemplo, Illumina NovaSeq puede secuenciar aproximadamente 150 mil millones de nucleótidos, el equivalente a 48 genomas humanos, en sólo tres días.

Uso de datos de secuenciación para combatir el coronavirus

Entonces, ¿por qué la secuenciación genómica es una herramienta tan importante para combatir la propagación del SARS-CoV-2?

Las respuestas rápidas de salud pública al SARS-CoV-2 requieren un conocimiento profundo de cómo el virus cambia con el tiempo. Los científicos han estado utilizando la secuenciación del genoma para rastrear el SARS-CoV-2 casi en tiempo real desde el inicio de la pandemia. Se han secuenciado y alojado millones de genomas individuales del SARS-CoV-2 en varios depósitos públicos, como la Iniciativa Global para Compartir Datos sobre la Influenza Aviar y el Centro Nacional de Información Biotecnológica.

La vigilancia genómica ha guiado las decisiones de salud pública a medida que surgía cada nueva variante. Por ejemplo, la secuenciación del genoma de la variante ómicrón permitió a los investigadores detectar más de 30 mutaciones en la proteína de pico que permite que el virus se una a las células del cuerpo humano. Esto convierte a omicron en una variante preocupante, ya que se sabe que estas mutaciones contribuyen a la capacidad del virus para propagarse. Los investigadores todavía están aprendiendo cómo estas mutaciones podrían afectar la gravedad de las infecciones que causa el omicron y qué tan bien puede evadir las vacunas actuales.

La secuenciación también ha ayudado a los investigadores a identificar variantes que se propagan a nuevas regiones. Al recibir una muestra de SARS-CoV-2 recolectada de un viajero que regresó de Sudáfrica el 22 de noviembre de 2021, investigadores de la Universidad de California en San Francisco pudieron detectar la presencia de omicron en cinco horas y tenía casi todo el genoma. secuenciado en ocho. Desde entonces, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades han estado monitoreando la propagación de omicron y asesorando al gobierno sobre formas de prevenir la transmisión comunitaria generalizada.

La rápida detección de omicron en todo el mundo enfatiza el poder de una vigilancia genómica sólida y el valor de compartir datos genómicos en todo el mundo. Comprender la composición genética del virus y sus variantes brinda a los investigadores y funcionarios de salud pública información sobre cómo actualizar mejor las pautas de salud pública y maximizar la asignación de recursos para el desarrollo de vacunas y medicamentos. Al proporcionar información esencial sobre cómo frenar la propagación de nuevas variantes, la secuenciación genómica ha salvado y seguirá salvando innumerables vidas durante el transcurso de la pandemia.

Escrito por Andre Hudson, profesor y director de la Escuela de Ciencias de la Vida Thomas H. Gosnell, Instituto de Tecnología de Rochester, y Crista Wadsworth, profesora asistente de la Escuela de Ciencias de la Vida Thomas H. Gosnell, Instituto de Tecnología de Rochester.