Opinião

O mapeamento das mudanças no genoma de um patógeno fornece pistas sobre seu passado e sobre seu futuro
Para cientistas como nós, eles carregam informações adicionais valiosas sobre o coronavírus. Restos de material de cotonetes podem nos ajudar a descobrir aspectos ocultos da pandemia COVID-19.
Por Claire Guinat, Etthel Windels e Sarah Nadeau - 05/12/2021


Mais de 250 milhões de pessoas em todo o mundo tiveram resultados positivos para SARS-CoV-2, geralmente após um esfregaço de nariz diagnóstico. No entanto, esses cotonetes não são lixo depois de entregarem seu resultado positivo. Para cientistas  como  nós, eles carregam informações adicionais valiosas sobre o coronavírus. Restos de material de cotonetes podem nos ajudar a descobrir aspectos ocultos da pandemia COVID-19.

Os genes de um vírus mantêm um registro de onde ele viajou e
quando. imaginima / E + via Getty Images


Usando os chamados métodos filodinâmicos que podem rastrear as viagens de um patógeno por meio de mudanças em seus genes, os pesquisadores são capazes de identificar fatores como onde e quando os surtos começam , o número de infecções não detectadas e rotas comuns de transmissão . A filodinâmica também pode ajudar a compreender e rastrear a propagação de novas variantes do patógeno, como a variante omicron recentemente detectada do SARS-CoV-2 .

O que há em um cotonete?

Os patógenos, assim como as pessoas, cada um tem um genoma. Este é o RNA ou DNA que contém o código genético de um organismo - suas instruções para a vida e as informações necessárias para a reprodução.

Agora é relativamente rápido e barato sequenciar o genoma de um patógeno. Na Suíça, um consórcio de cientistas governamentais e acadêmicos do qual fazemos parte já extraiu sequências do genoma viral de quase 80.000 testes de swab positivos para SARS-CoV-2 .

Ao alinhar sequências genéticas obtidas de diferentes pacientes, os cientistas podem ver quais posições na sequência diferem. Essas diferenças representam mutações, pequenos erros incorporados ao genoma quando o patógeno se copia. Podemos usar essas diferenças mutacionais como pistas para reconstruir cadeias de transmissão e aprender sobre a dinâmica da epidemia ao longo do caminho.

Filodinâmica: juntando pistas genéticas

Os métodos filodinâmicos fornecem uma maneira de descrever como as diferenças mutacionais se relacionam com a dinâmica da epidemia. Essas abordagens permitem que os pesquisadores obtenham dados brutos sobre onde ocorreram as mutações no genoma viral ou bacteriano para compreender todas as implicações. Pode parecer complicado, mas na verdade é muito fácil dar uma ideia intuitiva de como funciona.

As mutações no genoma do patógeno são transmitidas de pessoa para pessoa em uma cadeia de transmissão. Muitos patógenos adquirem muitas mutações ao longo de uma epidemia . Os cientistas podem resumir essas semelhanças e diferenças mutacionais usando o que é essencialmente uma árvore genealógica para o patógeno. Os biólogos chamam isso de árvore filogenética . Cada ponto de ramificação representa um evento de transmissão, quando o patógeno mudou de uma pessoa para outra.

diagrama da amostra para a sequência para a árvore
Uma árvore filogenética é uma aproximação da cadeia de transmissão passada, com
base em variações na sequência genética do patógeno.
Guinat, Windels, Nadeau , CC BY-ND

Os comprimentos dos ramos são proporcionais ao número de diferenças entre as amostras sequenciadas. Ramos curtos significam pouco tempo entre os pontos de ramificação - transmissão rápida de pessoa para pessoa. Estudar o comprimento dos ramos desta árvore pode nos dizer sobre a propagação do patógeno no passado - talvez mesmo antes de sabermos que uma epidemia estava no horizonte.

Modelos matemáticos da dinâmica da doença

Modelos em geral são simplificações da realidade. Eles tentam descrever os principais processos da vida real com equações matemáticas. Em filodinâmica, essas equações descrevem a relação entre os processos epidêmicos e a árvore filogenética.

Veja, por exemplo, a tuberculose. É a infecção bacteriana mais mortal do mundo e está se tornando ainda mais ameaçadora devido à ampla evolução da resistência aos antibióticos. Se você pegar uma versão resistente a antibióticos da bactéria da tuberculose, o tratamento pode levar anos .

Para prever a carga futura da tuberculose resistente, queremos estimar a rapidez com que ela se espalha.

Para fazer isso, precisamos de um modelo que capture dois processos importantes. Primeiro, há o curso da infecção e, segundo, há o desenvolvimento de resistência aos antibióticos. Na vida real, as pessoas infectadas podem infectar outras, receber tratamento e, no final, ser curadas ou, na pior das hipóteses, morrer com a infecção. Além disso, o patógeno pode desenvolver resistência.

Podemos traduzir esses processos epidemiológicos em um modelo matemático com dois grupos de pacientes - um grupo infectado com tuberculose normal e outro com tuberculose resistente a antibióticos. Os processos importantes - transmissão, recuperação e morte - podem acontecer em taxas diferentes para cada grupo. Finalmente, os pacientes cuja infecção desenvolve resistência aos antibióticos passam do primeiro grupo para o segundo.

Este modelo ignora alguns aspectos dos surtos de tuberculose, como infecções assintomáticas ou recidivas após o tratamento. Mesmo assim, quando aplicado a um conjunto de genomas da tuberculose, esse modelo nos ajuda a estimar a rapidez com que a tuberculose resistente se espalha .

Capturando aspectos ocultos de epidemias

De maneira única, as abordagens filodinâmicas podem ajudar os pesquisadores a responder a perguntas em situações em que os casos diagnosticados não fornecem um quadro completo. Por exemplo, o que dizer do número de casos não detectados ou a origem de uma nova epidemia?

Um bom exemplo desse tipo de investigação baseada no genoma é nosso trabalho recente sobre a influenza aviária altamente patogênica (HPAI) H5N8 na Europa. Esta epidemia se espalhou para aviários e aves selvagens em 30 países europeus em 2016. No final, dezenas de milhões de aves foram abatidas, devastando a indústria avícola.

Mas foram as granjas ou as aves selvagens os verdadeiros impulsionadores da disseminação? Obviamente, não podemos perguntar aos próprios pássaros. Em vez disso, a modelagem filodinâmica baseada em genomas do H5N8 amostrados em granjas e aves selvagens nos ajudou a obter uma resposta. Acontece que em alguns países o patógeno se espalhou principalmente de fazenda em fazenda, enquanto em outros ele se espalhou de pássaros selvagens para fazendas.

patos lá fora
Modelos filodinâmicos podem estimar o número de transmissões do vírus da influenza
aviária entre aves selvagens e aves. C. LeGall , CC BY-NC-ND

No caso do HPAI H5N8, ajudamos as autoridades de saúde animal a concentrar os esforços de controle . Em alguns países, isso significava limitar a transmissão entre as granjas, enquanto em outros limitar o contato entre as aves domésticas e selvagens.

Mais recentemente, as análises filodinâmicas ajudaram a avaliar o impacto das estratégias de controle do SARS-CoV-2, incluindo os primeiros fechamentos de fronteira e bloqueios iniciais estritos . Uma grande vantagem da modelagem filodinâmica é que ela pode ser responsável por casos não detectados. Os modelos podem até descrever os estágios iniciais do surto, na ausência de amostras desse período de tempo.

Modelos filodinâmicos estão sob intenso desenvolvimento, expandindo continuamente o campo para novas aplicações e conjuntos de dados maiores. No entanto, ainda existem desafios em estender os esforços de sequenciamento do genoma para espécies e regiões sem amostragem e manter o compartilhamento de dados públicos rápido . Em última análise, esses dados e modelos ajudarão a todos a obter novos insights sobre as epidemias e como controlá-las.


Claire Guinat
Pós-doutorado em Evolução Computacional, Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique

Etthel Windels
Pós-doutorado em Evolução Computacional, Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique

Sarah Nadeau
Aluno de Doutorado em Evolução Computacional, Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique

As opiniões expressas neste artigo são de responsabilidade exclusiva do(s) autor(es), não refletindo necessariamente a posição institucional do maisconhecer.com

 

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