Исследователи из Университета Макмастера разработали новый продвинутый метод, который может помочь обеспечить раннее предупреждение о редких и неизвестных вирусах в окружающей среде и выявить потенциально смертельные бактериальные патогены, в том числе вызывающие сепсис.
Новый алгоритм может помочь разработать зонды для улавливания следовых количеств патогенов, как известных, так и неизвестных, в самых разных ситуациях, например, при передаче инфекций от животных к человеку, таких как SARS-CoV-2, или для мониторинга резервуаров в окружающей среде на предмет возможных новых патогенов.
На сегодняшний день большинство лабораторий проводят секвенирование образцов, что является трудоемким и дорогостоящим процессом, который обычно требует от ученых выделения и последующей сборки мельчайших фрагментов специфической ДНК, которые трудно обнаружить и которые часто загрязнены миллиардами других организмов в том же образце или среде. Выделение патогенов в клинических условиях или в условиях дикой природы из образцов крови или слюны, например, особенно сложно, поскольку они легко могут составлять менее одной миллионной части образца, особенно на ранних стадиях инфекции, когда их концентрация еще низка, а обнаружение наиболее критично для пациентов.
Исследователи создали и успешно протестировали зонды на всем семействе коронавирусов, включая SARS-CoV-2. Зонды позволяют сократить путь, нацеливаясь, изолируя и идентифицируя последовательности ДНК - конкретно и одновременно - которые являются общими для родственных организмов, чаще всего в силу эволюционной истории или происхождения. "Существуют тысячи бактериальных патогенов, и возможность определить, какой из них присутствует в образце крови пациента, может привести к более быстрому назначению правильного лечения, когда время очень важно", - объясняет Закери Диксон, ведущий автор исследования. "Зонд значительно ускоряет процесс идентификации, а это значит, что мы можем потенциально спасти людей, которые в противном случае могли бы умереть", - говорит он. Исследователи также продемонстрировали эффективность зондов для захвата невероятно широкого спектра патогенов, связанных с сепсисом.
"В настоящее время нам нужны более быстрые, дешевые и простые способы обнаружения патогенов в образцах человека и окружающей среды, но разработанный нами алгоритм может также открыть новую информацию об эволюции заболеваний",
- говорит эволюционный генетик Хендрик Пойнар, ведущий автор исследования. Процесс, использованный для разработки зондов - HUBdesign или Hierarchical Unique Baits - описан в журнале Cell Reports.
Zachery W. Dickson et al. Конструкция зонда для одновременного целенаправленного захвата различных метагеномных мишеней (аннотация).
Широкому спектру метагеномных исследований мешает одна и та же проблема: низкая концентрация интересующих мишеней в сочетании с подавляющим количеством фонового сигнала. Хотя при небольшом количестве интересующих организмов можно использовать ПЦР или захват наивной ДНК, при большом количестве мишеней проблемы дизайна становятся неразрешимыми. Мы представляем HUBDesign - биоинформационный конвейер для разработки зондов для направленного захвата ДНК, который использует гомологию последовательностей для определения наборов зондов, которые максимизируют широту охвата мишеней при сохранении специфичности. Сложные проблемы, связанные с низким сигналом, высоким фоном и неопределенными целями, стоят во многих попытках метагеномного секвенирования. Одним из решений является захват ДНК, при котором зонды разрабатываются для гибридизации с целевыми последовательностями, обогащая их по отношению к фону. Однако сбалансировать глубину зондирования и широту захвата сложно для различных целей.
Чтобы найти этот баланс, мы разработали программу HUBDesign, которая использует гомологию последовательностей для разработки зондов на нескольких таксономических уровнях. Это позволяет создать эффективный набор зондов, способный одновременно и специфически захватывать известные и родственные последовательности. Мы проверили HUBDesign, создав наборы зондов, направленные на широкое разнообразие коронавирусов, а также на набор бактериальных патогенов, часто вызывающих сепсис. В отдельных экспериментах, демонстрирующих значительное одновременное обогащение, мы выделили SARS-CoV-2 и HCoV-NL63 на фоне РНК человека и семь штаммов бактерий в крови человека.
HUBDesign имеет широкое применение везде, где есть несколько организмов, представляющих интерес.
