VERSO: nuovi algoritmi per studiare le varianti del SARS-CoV-2
VERSO, il più vasto studio al mondo ad utilizzare algoritmi su dati di sequenziamento per tracciare la catena epidemiologica del virus SARS-COV-2 con altissima precisione.
Una possibilità di grande importanza per l’individuazione di nuove varianti, ancor prima che queste possano diffondersi in maniera incontrollata, e valido strumento per implementare strategie di tracciamento e sorveglianza sempre più efficaci.
Il team di ricerca composto da Alex Graudenzi, ricercatore IBFM-CNR, dai prof. Rocco Piazza, Marco Antoniotti, Carlo Gambacorti-Passerini, e dagli assegnisti Daniele Ramazzotti, Fabrizio Angaroni e Davide Maspero, afferenti all’Università di Milano-Bicocca, ha recentemente pubblicato un importante studio relativo allo studio dell’evoluzione e diffusione del virus SARS-CoV2. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Patterns, presenta un approccio innovativo denominato VERSO (Viral Evolution ReconStructiOn) per analizzare i dati di sequenziamento di genomi virali, e consente di identificare un modello ad alta risoluzione dell’evoluzione di un virus, mediante il tracciamento delle mutazioni genomiche. Tutto questo permette di ricostruire contatti epidemiologici tra persone infette ed intercettare mutazioni potenzialmente pericolose prima che queste possano diffondersi. Attraverso l’applicazione a 6726 campioni del virus SARS-CoV-2 di VERSO, si è potuta ricostruire l’evoluzione del virus fra individui in maniera molto dettagliata. Un’analisi che ha permesso altresì di individuare alcune mutazioni localizzate sul cosiddetto gene “spike”, una delle proteine bersaglio del virus. VERSO fornisce filogenesi robuste anche in condizioni di campionamento limitato ed osservazioni rumorose, con la possibilità di identificare catene di infezione non rilevate dalle analisi standard, con risultati importanti in ambito di contact tracing e sorveglianza genomica.
Quando e da cosa ha avuto inizio il vostro studio?
“Lo studio VERSO è stato condotto da ricercatori afferenti al Consiglio Nazionale delle Ricerche ed all’Università Bicocca di Milano ed ha portato alla realizzazione di un approccio algoritmico per l’analisi dei dati di sequenziamento di un patogeno, in particolare di un virus”.
Ad illustrarci nei dettagli la ricerca nella quale è impegnato, è il dottor Alex Graudenzi, uno dei ricercatori del progetto.
“La ricerca ha avuto origine durante primi mesi del 2020, agli esordi della pandemia del COVID-19, al fine di sfruttare la mole crescente di dati di sequenziamento messi a disposizione della Comunità scientifica da parte dei vari laboratori nazionali e internazionali. In particolare, a partire dal campione prelevato da un tampone nasale, è possibile individuare la sequenza genomica del virus che ha contagiato quella persona, ed attraverso l’utilizzo delle informazioni in essa contenute, risalire ai contatti epidemiologici della stessa, e identificare le mutazioni potenzialmente pericolose”. Quali sono le modalità adottate del vostro metodo sequenziale? “VERSO, impiega strategie algoritmiche e computazionali già utilizzate con successo nello studio del cancro. L’idea generale è quella di sfruttare le mutazioni emergenti a causa degli errori di replicazione del virus e dell’interazione tra questo ed il sistema immunitario. Mutazioni che forniscono una sorta di “impronta digitale” che ci consente di ricostruire i contatti epidemiologici di un individuo. Tutto questo avviene in materia innovativa e statisticamente robusta, in modo che le catene di contagio ricostruite risultino estremamente affidabili. Ciò consente di effettuare il monitoraggio dell’evoluzione della pandemia in maniera efficace”. Perché VERSO è considerata una ricerca innovativa rispetto ad altre attualmente in corso? “Lo studio nasce dalla consapevolezza che la maggior parte delle ricerche sull’evoluzione e la diffusione del virus SARS-CoV-2 fa uso di dati a bassa risoluzione, ossia di quelli relativi alle cosiddette sequenze consenso, le quali forniscono ”l’impronta digitale” delle particelle virali maggiormente presenti in un individuo contagiato. In realtà, durante un contagio, si viene infettati da un elevato numero di particelle che, visivamente ricordano veri e propri “sciami”, le quali possono presentare delle piccole differenze, mutazioni non sempre presenti nelle sequenze consenso. VERSO ci permette di analizzare nel dettaglio le mutazioni presenti nell’intero sciame, facendo in modo di facilitare l’identificazione della catena del contagio dal punto di vista spaziale e temporale, con significativi vantaggi sulla sorveglianza attiva della pandemia”.
Quali sono i risultati a cui siete pervenuti?
“Abbiamo ottenuto risultati importanti in diversi ambiti riguardanti lo studio del virus SARS-COV-2. Testando il nostro metodo su dati di quasi 7000 pazienti è stato, infatti, possibile tracciare una mappa geo-temporale del contagio ad alta risoluzione e questo ci ha permesso di migliorare i risultati ottenuti attraverso lo studio delle sequenze consenso. Lo studio di queste mappe ha, inoltre, evidenziato, una serie di mutazioni che è indispensabile monitorare poiché, qualora dovessimo notare la medesima mutazione in due gruppi distinti di pazienti che non hanno avuto alcun contatto tra loro, ci sarebbe da allarmarsi, poiché tale anomalia indurrebbe a supporre, ad esempio, che quel tipo di mutazione possa essere funzionale al virus per una sua riproduzione più rapida o per rispondere meglio al sistema immunitario. Il nostro studio è, dunque, un primo tassello, che si aggiunge ad altri studi attualmente in corso, i quali hanno interessato l’analisi di numeri crescenti di individui, uno strumento in più, di cui gli scienziati di tutto il mondo potranno avvalersi nell’analisi della riproduzione del virus, prevenendone possibilmente le mosse”.
È possibile prevedere in anticipo la mutazione di un virus ed intervenire su di essa?
“I virus sono sistemi rudimentali, in continua riproduzione, che nel loro replicarsi commettono degli errori o mutazioni, che possono avere origine anche dall’interazione con il sistema immunitario. La maggior parte di queste non ha alcun effetto, non a caso si parla infatti di mutazioni neutrali, altre hanno invece una valenza disfunzionale, addirittura negativa, da qui la morte del virus stesso. Vi è poi un sottoinsieme di esse, molto limitato, che può effettivamente migliorare la “fitness” o adattabilità del virus. È opportuno, a tal proposito, precisare che un insieme di mutazioni diverse costituisce una variante, così come avviene per Delta o Omicron. È molto difficile prevedere con anticipo l’arrivo di una mutazione o di una variante, ciò che si può fare è identificarle nel momento in cui si manifestano, utilizzando le informazioni dei dati di sequenziamento. In tal maniera si può, in effetti, intercettare una mutazione prima che questa riesca a diffondersi eccessivamente nella popolazione, nel qual caso si parla di “early detection”. Questo costituisce indiscutibilmente un vantaggio, in quanto ci dà la possibilità di porre in essere un monitoraggio attivo, dando modo alle istituzioni competenti, a livello sanitario e politico, di predisporre le dovute strategie di contenimento”. Quante e quali sequenze avete analizzato sinora? “Stiamo ultimando un articolo che si basa sull’analisi dei dati raccolti da più di 220 mila pazienti, al momento il più ampio studio al mondo basato su dati di sequenziamento, e non di sequenze consenso, del virus SARS-CoV-2. Abbiamo inoltre divulgato in maniera del tutto gratuita il nostro software su repository pubblici, affinché la Comunità scientifica possa far uso sia delle informazioni che siamo riusciti a raccogliere, sia del nostro metodo, in maniera totalmente libera.
Quali sono le sfide future che vi prefiggete di affrontare?
“Il team che ha condotto lo studio VERSO è un gruppo di ricerca multidisciplinare che include professori e ricercatori del CNR e dell’Università Bicocca di Milano, multidisciplinarità che si rivela di fondamentale importanza per affrontare efficacemente tematiche complesse, dal momento che consente di coniugare le competenze specifiche dei vari ambiti scientifici con una visione ampia e sinergica delle stesse. Il focus dell’attuale attività di ricerca riguarda patologie complesse, quali il cancro e il COVID-19, mediante lo sviluppo di tecniche di bioinformatica, biologia computazionale e intelligenza artificiale, al fine di sfruttare efficacemente la mole di dati attualmente disponibili. Ciò consentirà di fornire “mezzi” computazionali utili a produrre ipotesi sperimentali dall’elevato valore transazionale. Obiettivo finale è quello di sfruttare la conoscenza ricavata dai dati, per individuare strategie prognostiche e diagnostiche efficaci, e ideare trattamenti di cura più sofisticati ed mirati rispetto a quelli esistenti”.
Link:
http://www.thepitchblog.it/wp-content/uploads/2022/01/STUDIO-VERSO-.pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666389921000222
