A covid-19 transformou a genômica e o tratamento de surtos de doenças

Se a pandemia tivesse acontecido há dez anos, como seria? Sem dúvida, teria havido muitas diferenças, mas provavelmente a mais notável teria sido a relativa falta de sequenciamento genômico . É aqui que todo o código genético – ou “genoma” – do coronavírus em uma amostra de teste é lido e analisado rapidamente.

No início da pandemia, o sequenciamento informou aos pesquisadores que se tratava de um vírus nunca antes detectado. A rápida decifração do código genético do vírus também permitiu o desenvolvimento imediato de vacinas e explica em parte por que elas ficaram disponíveis em tempo recorde .

Desde então, os cientistas sequenciaram repetidamente o vírus à medida que ele circula. Isso permite que eles monitorem as mudanças e detectem as variantes à medida que surgem.

O sequenciamento em si não é novo – o que é diferente hoje é a quantidade que está ocorrendo. Genomas de variantes estão sendo testados em todo o mundo a uma taxa sem precedentes, tornando o COVID-19 um dos surtos mais testados de todos os tempos.

Com essas informações, podemos rastrear como formas específicas do vírus estão se espalhando localmente, nacionalmente e internacionalmente. Isso torna o COVID-19 o primeiro surto a ser rastreado quase em tempo real em escala global.

Isso ajuda a controlar o vírus. Por exemplo, junto com o teste de PCR, o sequenciamento ajudou a revelar o surgimento da variante alfa no inverno de 2020. Também mostrou que o alfa estava se tornando rapidamente mais prevalente e confirmou o motivo, revelando que tinha mutações significativas associadas ao aumento da transmissão . Isso ajudou a informar as decisões para restringir as restrições .

O sequenciamento fez o mesmo com o omicron , identificando suas mutações preocupantes e confirmando a rapidez com que está se espalhando. Isso sublinhou a necessidade de o Reino Unido turbinar seu programa de reforço .

O caminho para o sequenciamento em massa

A importância do sequenciamento genômico é inegável. Mas como isso funciona – e como se tornou tão comum?

Bem, assim como as pessoas, cada cópia do coronavírus tem seu próprio genoma, que tem cerca de 30.000 caracteres . À medida que o vírus se reproduz, seu genoma pode sofrer uma ligeira mutação devido a erros cometidos ao copiá-lo. Com o tempo, essas mutações se somam e distinguem uma variante do vírus da outra. O genoma de uma variante preocupante pode conter de cinco a 30 mutações .

O genoma do vírus é feito de RNA, e cada um de seus 30.000 caracteres é um dos quatro blocos de construção, representados pelas letras A, G, C e U. O sequenciamento é o processo de identificação de sua ordem única. Várias tecnologias podem ser usadas para isso, mas uma particularmente importante para nos levar até onde estamos é o sequenciamento de nanopore . Há dez anos, essa tecnologia não estava disponível como está hoje. É assim que funciona.

Primeiro, o RNA é convertido em DNA. Então, como um longo fio de algodão sendo puxado por um orifício em uma folha de tecido, o DNA é puxado por um poro em uma membrana. Este nanoporo é um milhão de vezes menor que a cabeça de um alfinete . Conforme cada bloco de construção de DNA passa pelo nanoporo, ele emite um sinal único. Um sensor detecta as mudanças de sinal e um programa de computador descriptografa isso para revelar a sequência.

Surpreendentemente, a máquina carro-chefe para fazer o sequenciamento de nanopore – o MinION, lançado pela Oxford Nanopore Technologies (ONT) em 2014 – tem apenas o tamanho de um grampeador; outras técnicas de sequenciamento (como as desenvolvidas pela Illumina e pela Pacific BioSciences) geralmente exigem equipamentos volumosos e um laboratório bem abastecido. O MinION é, portanto, incrivelmente portátil, permitindo que o sequenciamento aconteça no solo durante o surto de uma doença.

Isso aconteceu pela primeira vez durante o surto de Ebola de 2013-16 e, em seguida, durante a epidemia de Zika de 2015-16. Laboratórios pop-up foram instalados em áreas sem infraestrutura científica, permitindo aos cientistas identificar a origem de cada surto.

Essa experiência lançou as bases para o sequenciamento do coronavírus hoje. Os métodos aperfeiçoados durante esse tempo, em particular por um grupo de pesquisa genômica chamado Artic Network , provaram ser inestimáveis. Eles foram rapidamente adaptados para COVID-19 para se tornar a base sobre a qual milhões de genomas de coronavírus foram sequenciados em todo o mundo desde 2020. O sequenciamento nanopore de Zika e Ebola nos deu os métodos para fazer o sequenciamento em uma escala nunca antes vista hoje.

Dito isso, sem a capacidade muito maior das máquinas de bancada da Illumina, Pacific Biosciences e ONT, não seríamos capazes de capitalizar o conhecimento obtido por meio do sequenciamento de nanopore. Somente com essas outras tecnologias é possível fazer o sequenciamento no volume atual.

O que vem a seguir para o sequenciamento?

Com o COVID-19, os pesquisadores foram capazes de monitorar o surto apenas depois de iniciado. Mas a criação de testes rápidos e programas de rastreamento para outras doenças novas, bem como a infraestrutura para conduzir o sequenciamento generalizado, já começou. Isso fornecerá um sistema de alerta precoce para evitar que a próxima pandemia nos pegue de surpresa.

Por exemplo, no futuro, programas de vigilância podem ser colocados em prática para monitorar águas residuais para identificar micróbios causadores de doenças (conhecidos como patógenos) presentes na população. O sequenciamento permitirá que os pesquisadores identifiquem novos patógenos, permitindo um início precoce na compreensão e rastreamento do próximo surto antes que saia do controle.

O sequenciamento do genoma também tem um papel a desempenhar no futuro da saúde e da medicina. Ele tem o potencial de diagnosticar doenças genéticas raras , informar a medicina personalizada e monitorar a ameaça cada vez maior de resistência aos medicamentos .

Cinco a dez anos atrás, os cientistas estavam apenas começando a testar a tecnologia de sequenciamento em surtos virais menores. Os efeitos dos últimos dois anos resultaram em um grande aumento no uso de sequenciamento para rastrear a propagação de doenças. Isso foi possível devido à tecnologia, habilidades e infraestrutura que se desenvolveram ao longo do tempo.

COVID-19 causou danos incalculáveis ​​em todo o mundo e afetou a vida de milhões, e ainda não vimos seu impacto total. Mas os avanços recentes – particularmente no campo do sequenciamento – sem dúvida melhoraram a situação além de onde estaríamos de outra forma.

1. Angela Beckett é especialista em técnica de pesquisa do Centro de Inovação de Enzimas e doutoranda em Genômica e Bioinformática da Universidade de Portsmouth
2. Samuel Robson é estudioso de Genômica e Bioinformática e diretor de Bioinformática do Centro de Inovação de Enzimas da Universidade de Portsmouth