Trong đợt bùng phát nhiễm vi rút Zika 2015-2016, các trung tâm y tế cộng đồng đã nỗ lực để ngăn chặn dịch bệnh và hạn chế tác động nguy hại mầm bệnh đối với phụ nữ mang thai. Bên cạnh đó, các nhà khoa học trên toàn cầu đã cố gắng tìm hiểu thông tin di truyền của loại vi rút bí ẩn này.

Vấn đề là, không có nhiều hạt vi rút Zika trong máu của người bệnh. Tìm kiếm vi rút trong các mẫu bệnh phẩm lâm sàng có thể giống như câu một con cá nhỏ trong đại dương.

Một phương pháp tính toán mới được phát triển bởi các nhà khoa học của Viện Broad giúp vượt qua rào cản này. Được xây dựng trong phòng thí nghiệm của Pardis Sabeti, nhà nghiên cứu của Viện Broad, phương pháp "CATCH" có thể được sử dụng để thiết kế phân tử "mồi" cho bất kỳ loại vi rút có khả năng lây nhiễm cho người và tất cả các chủng đã biết của chúng, bao gồm cả những loại có nồng độ thấp trong mẫu bệnh phẩm như vi rút Zika. Cách tiếp cận này có thể giúp các trung tâm giải trình tự nhỏ trên toàn cầu thực hiện giám sát dịch bệnh hiệu quả, tiết kiệm chi phí hơn và cung cấp thông tin quan trọng để kiểm soát dịch bệnh.

Nghiên cứu mới được thực hiện bởi sinh viên tốt nghiệp MIT Hayden Metsky và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Katie Siddle, và có trên trang Nature Biotechnology.

"Khi giải trình tự bộ gen trở thành một phần quan trọng trong giám sát dịch bệnh, các công cụ như CATCH sẽ giúp chúng tôi và những nhà khoa học khác phát hiện dịch bệnh sớm hơn, tổng hợp nhiều dữ liệu về mầm bệnh và có thể chia sẻ với cộng đồng nghiên cứu khoa học và y tế rộng lớn hơn", Christian Matranga, đồng tác giả của nghiên cứu mới, người đã tham gia vào một công ty khởi nghiệp công nghệ sinh học địa phương.

Các nhà khoa học đã có thể phát hiện một số vi rút có nồng độ thấp bằng cách phân tích tất cả các vật liệu di truyền trong một mẫu bệnh phẩm, một kỹ thuật được gọi là giải trình tự "metagenomic"- kỹ thuật phân tích vi sinh vật sống trong môi trường tự nhiên, nhưng phương pháp thường bỏ lỡ việc phát hiện vật liệu di truyền của vi rút do số lượng lớn DNA của các sinh vật khác và DNA của bệnh nhân.

Một cách tiếp cận khác là làm tang một loại vi rút cụ thể trên mẫu bệnh phẩm lâm sàng. Để làm điều này, các nhà nghiên cứu sử dụng một loại "mồi" di truyền để cố định vật liệu di truyền của vi rút mục tiêu, và vật liệu di truyền khác có thể bị cuốn trôi. Các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm Sabeti đã sử dụng thành công mồi, đó là các đầu dò phân tử được tạo thành từ các chuỗi RNA hoặc DNA ngắn ghép cặp với các DNA vi rút trong mẫu, để phân tích bộ gen của vi rút Ebola và Lassa. Tuy nhiên, các đầu dò luôn được hướng vào một vi sinh vật duy nhất, nghĩa là chúng phải biết chính xác những gì chúng đang tìm kiếm và chúng không được thiết kế theo một cách hiệu quả, nghiêm ngặt.

Những gì họ cần là một phương pháp tính toán để thiết kế các đầu dò có thể cung cấp cái nhìn toàn diện về sự đa dạng của vi sinh vật trong các mẫu lâm sàng, đồng thời “làm giàu” cho các vi sinh vật có nồng độ thấp như Zika.

"Chúng tôi muốn suy nghĩ lại về cách chúng tôi thực sự thiết kế các đầu dò để bắt cặp," Metsky nói. "Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi có thể tóm bắt được các vi-rút, bao gồm cả sự đa dạng đã biết của chúng, với số lượng đầu dò ít hơn chúng tôi đã sử dụng trước đây. Để biến đây thành một công cụ hiệu quả cho giám sát, sau đó chúng tôi đã quyết định thử nhắm mục tiêu khoảng 20 vi-rút và cuối cùng chúng tôi đã tang quy mô lên 356 loài virut được biết là gây nhiễm cho người. "

Viết tắt của "Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization", CATCH cho phép người dùng thiết kế các đầu dò- probe tùy chỉnh để thu thập vật liệu di truyền của bất kỳ tổ hợp vi sinh vật nào, bao gồm cả vi-rút hoặc thậm chí tất cả các dạng vi-rút được biết là lây nhiễm cho người.

Để chạy CATCH một cách toàn diện, người dùng có thể dễ dàng nhập bộ gen từ tất cả các dạng vi rút ở người đã được tải lên cơ sở dữ liệu trình tự gen trên GenBank của Trung tâm thông tin công nghệ sinh học-NCBI. Chương trình xác định những probe tốt nhất dựa trên những gì người dùng muốn khôi phục, cho dù đó là tất cả các vi-rút hay chỉ là một tập hợp con. Danh sách các trình tự của probe có thể được gửi đến một vài công ty tổng hợp các probe để nghiên cứu. Các nhà khoa học và nhà nghiên cứu lâm sàng đang tìm cách phát hiện và nghiên cứu các vi sinh vật sau đó có thể sử dụng các probe như lưỡi câu để bắt DNA vi sinh vật muốn giải trình tự, từ đó “làm giàu “vi khuẩn quan tâm trong mẫu bệnh phẩm.

Các thử nghiệm probe được thiết kế với CATCH cho thấy sau khi làm giàu, hàm lượng vi rút cao hơn 18 lần dữ liệu giải trình tự so với trước đó, cho phép nhóm nghiên cứu lắp ráp bộ gen không thể tạo ra từ các mẫu không được “làm giàu”. Họ đã xác nhận phương pháp bằng cách kiểm tra 30 mẫu với tám loại vi rút. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các mẫu vi rút Lassa từ vụ dịch Lassa năm 2018 ở Nigeria được chứng minh là khó giải trình tự mà không làm giàu nhưng có thể giải trình tự nhờ sử dụng các probe do CATCH thiết kế loại trừ tất cả các vi rút khác ở người. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu có thể cải thiện phát hiện vi rút trong các mẫu chưa rõ tác nhân từ bệnh nhân và muỗi.

Sử dụng CATCH, Metsky và các đồng nghiệp đã tạo ra một tập hợp các probe của vi rút Zika và chikungunya, một loại vi rút truyền qua muỗi khác được tìm thấy ở cùng khu vực địa lý. Cùng với bộ gen Zika được tổng hợp bằng các phương pháp khác, dữ liệu họ tổng hợp bằng các đầu dò do CATCH thiết kế đã giúp họ phát hiện ra rằng vi rút Zika đã xuất hiện ở một số khu vực trước khi các nhà khoa học có thể phát hiện ra nó, một phát hiện có thể cải thiện các nỗ lực kiểm soát dịch bệnh trong tương lai .

Để chứng minh các ứng dụng tiềm năng khác của CATCH, Siddle đã sử dụng các mẫu có nhiều loại vi rút khác nhau. Siddle và những người khác đã làm việc với các nhà khoa học ở Tây Phi, nơi bùng phát vi rút và sốt khó chẩn đoán là phổ biến. Họ xây dựng các phòng thí nghiệm và quy trình làm việc để phân tích bộ gen mầm bệnh tại chỗ. "Chúng tôi muốn các đối tác của chúng tôi ở Nigeria có thể thực hiện hiệu quả phương pháp giải trình tự metagenomic từ các mẫu khác nhau và CATCH giúp họ tăng cường độ nhạy trong việc xác định các mầm bệnh này", Siddle nói.

Đây cũng là một phương pháp hiệu quả để điều tra các cơn sốt không được chẩn đoán với nguyên nhân nghi ngờ là do vi rút. Siddle nói: "Chúng tôi rất hào hứng về tiềm năng sử dụng phương pháp giải trình tự metagenomic để làm sáng tỏ những trường hợp đó và đặc biệt là khả năng thực hiện tại địa phương ở các quốc gia bị ảnh hưởng".

Một lợi thế của phương pháp CATCH là khả năng thích ứng của nó. Khi các đột biến mới được xác định và các trình tự mới được thêm vào GenBank, người dùng có thể nhanh chóng thiết kế lại các probe với thông tin cập nhật. Ngoài ra, trong khi hầu hết các probe thiết kế là độc quyền, Metsky và Siddle đã cung cấp công khai tất cả những probe mà họ thiết kế với CATCH. Người dùng có quyền truy cập vào trình tự của probe trong CATCH, cho phép các nhà nghiên cứu khám phá và tùy chỉnh các thiết kế probe trước khi chúng được tổng hợp.

Sabeti và các nhà nghiên cứu đồng nghiệp rất vui mừng về tiềm năng của CATCH để cải thiện các nghiên cứu về vi sinh vật với quy mô lớn. Họ cũng hy vọng rằng một ngày nào đó phương pháp này có thể được ứng dụng trong chẩn đoán, và trả kết quả cho bệnh nhân để đưa ra chỉ định lâm sàng. Hiện tại, họ được khuyến khích bởi khả năng cải thiện việc giám sát bộ gen khi có sự bùng phát dịch do vi rút như Zika và Lassa và các ứng dụng khác đòi hỏi một cái nhìn toàn diện khii gặp nồng độ vi sinh vật thấp.

Phần mềm CATCH có thể truy cập công khai trên GitHub. Việc phát triển và xác nhận chương trình, được giám sát bởi Sabeti và Matranga.

Hồng Hạnh- Khoa HIV/AIDS

Dịch từ: www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190204124157.htm