2 января 2022 года.
Если бы пандемия случилась десять лет назад, как бы она выглядела? Несомненно, было бы много отличий, но, вероятно, самым поразительным было бы относительное отсутствие геномного секвенирования. Это когда весь генетический код — или «геном» — коронавируса в исследуемом образце быстро считывается и анализируется.
В начале пандемии секвенирование позволило исследователям понять, что они имеют дело с невиданным ранее вирусом. Быстрая расшифровка генетического кода вируса также позволила сразу же разработать вакцины и отчасти объясняет, почему они появились в рекордно короткие сроки.
С тех пор ученые неоднократно проводили секвенирование вируса по мере его циркуляции. Это позволяет им отслеживать изменения и выявлять варианты по мере их появления.
Само по себе секвенирование не является чем-то новым, другое дело — его объемы. Геномы вариантов вируса тестируются по всему миру с беспрецедентной скоростью, что делает COVID-19 одной из наиболее тщательно протестированных вспышек за всю историю.
С помощью этой информации мы можем отслеживать, как конкретные формы вируса распространяются на местном, национальном и международном уровнях. Это делает COVID-19 первой вспышкой, которую можно отслеживать в режиме реального времени в глобальном масштабе.
Это помогает контролировать вирус. Например, секвенирование вместе с ПЦР-тестированием помогло выявить появление альфа-варианта зимой 2020 года. Оно также показало, что альфа-вариант быстро становится более распространенным, и подтвердило причину этого, выявив наличие у него значительных мутаций, связанных с повышенной передачей вируса. Это помогло обосновать решения об ужесточении ограничений.
Секвенирование сделало то же самое с омикроном, выявив его важные мутации и подтвердив скорость его распространения. Это подчеркнуло необходимость для Великобритании активизировать свою программу усиления.
Путь к массовому секвенированию
Важность геномного секвенирования неоспорима. Но как оно работает — и как оно стало таким распространенным?
Как и у людей, у каждой копии коронавируса есть свой геном длиной около 30 000 символов. По мере размножения вируса его геном может слегка мутировать из-за ошибок, допущенных при его копировании. Со временем эти мутации накапливаются и отличают один вариант вируса от другого. В геноме одной из разновидностей вируса может содержаться от пяти до 30 мутаций.
Геном вируса состоит из РНК, и каждый из его 30 000 символов представляет собой один из четырех строительных блоков, обозначаемых буквами A, G, C и U. Секвенирование — это процесс определения их уникального порядка. Для этого могут использоваться различные технологии, но особенно важной из них, которая помогла нам добиться успеха, является нанопоровое секвенирование. Десять лет назад эта технология была недоступна, как и сегодня. Вот как она работает.
Сначала РНК преобразуется в ДНК. Затем, подобно длинной нити хлопка, протянутой через отверстие в ткани, ДНК протягивается через поры в мембране. Эта нанопора в миллион раз меньше булавочной головки. Когда каждый строительный блок ДНК проходит через нанопору, он издает уникальный сигнал. Датчик фиксирует изменения сигнала, а компьютерная программа расшифровывает его, чтобы узнать последовательность.
Удивительно, но флагманская машина для нанопорового секвенирования — MinION, выпущенная компанией Oxford Nanopore Technologies (ONT) в 2014 году, — размером всего лишь со степлер; другие методы секвенирования (например, разработанные компаниями Illumina и Pacific BioSciences) обычно требуют громоздкого оборудования и хорошо укомплектованной лаборатории. Таким образом, MinION невероятно портативен, что позволяет проводить секвенирование на месте во время вспышки заболевания.
Впервые это произошло во время вспышки лихорадки Эбола в 2013-16 годах, а затем во время эпидемии вируса Зика в 2015-16 годах. В районах, где отсутствовала научная инфраструктура, были организованы «всплывающие» лаборатории, что позволило ученым определить место возникновения каждой вспышки.
Этот опыт заложил основу для секвенирования коронавируса в наши дни. Методы, отточенные за это время, в частности исследовательской группой по геномике под названием Artic Network, оказались бесценными. Они были быстро адаптированы для COVID-19 и стали основой для секвенирования миллионов геномов коронавируса по всему миру с 2020 года. Нанопоровое секвенирование вирусов Зика и Эбола дало нам методы, позволяющие проводить секвенирование в невиданных доселе масштабах.
Однако без гораздо более мощных настольных приборов от Illumina, Pacific Biosciences и ONT мы не смогли бы воспользоваться знаниями, полученными благодаря нанопоровому секвенированию. Только благодаря этим другим технологиям можно проводить секвенирование в нынешних объемах.
Что дальше для секвенирования?
В случае с COVID-19 исследователи могли отслеживать вспышку только после ее начала. Но сейчас уже началось создание программ быстрого тестирования и скрининга для других новых заболеваний, а также инфраструктуры для проведения широкомасштабного секвенирования. Это позволит создать систему раннего предупреждения, чтобы следующая пандемия не застала нас врасплох.
Например, в будущем могут быть введены программы наблюдения за сточными водами для выявления микробов, вызывающих заболевания (так называемых патогенов), среди населения. Секвенирование позволит исследователям выявлять новые патогены, что позволит заблаговременно понять и отследить следующую вспышку заболевания, пока она не вышла из-под контроля.
Секвенирование генома также играет важную роль в будущем здравоохранения и медицины. Оно способно диагностировать редкие генетические заболевания, обеспечить персонализированную медицину и отслеживать постоянно растущую угрозу лекарственной устойчивости.
Пять-десять лет назад ученые только начинали испытывать технологию секвенирования на небольших вирусных вспышках. Последствия последних двух лет привели к огромному росту использования секвенирования для отслеживания распространения заболеваний. Это стало возможным благодаря технологиям, навыкам и инфраструктуре, которые развивались в течение долгого времени.
COVID-19 причинил неисчислимый ущерб по всему миру и повлиял на жизни миллионов людей, и нам еще предстоит увидеть все его последствия. Но последние достижения — особенно в области секвенирования — несомненно, улучшили ситуацию по сравнению с тем, что было бы в противном случае.
Авторы: Анджела Бекетт, специалист-исследователь, Центр ферментных инноваций, кандидат наук в области геномики и биоинформатики, Портсмутский университет, и Сэмюэл Робсон, читатель в области геномики и биоинформатики, руководитель отдела биоинформатики, Центр ферментных инноваций, Портсмутский университет.
