معرفی نویسنده

مریم رفیعی پور

دانشجوی ارشد رشته بیوانفورماتیک( دانشگاه تربیت مدرس)

چگونه انواع جدید ویروس کرونا شناسایی می‌شوند؟

چگونه انواع جدید ویروس کرونا شناسایی می‌شوند؟

شاید برای همهٔ ما این سوال پیش آمده باشد که چگونه دانشمندان انواع جدیدی از ویروس را که باعث COVID-19 می‌شود شناسایی می‌کنند؟ پاسخ، فرآیندی به نام توالی‌یابی DNA است.

محققان، DNA را برای تعیین ترتیب چهار بلوک شیمیایی یا نوکلئوتیدهای تشکیل دهندهٔ آن، یعنی آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین توالی‌یابی می‌کنند. میلیون‌ها تا میلیاردها از این بلوک‌های ساختمانی که با هم جفت شده‌اند، در مجموع ژنومی را می‌سازند که حاوی تمام اطلاعات ژنتیکی است که یک موجود زنده برای زنده ماندن نیاز دارد.

هنگامی که یک موجود زنده تکثیر می‌شود، یک کپی از کل ژنوم خود را برای انتقال به فرزندان خود می‌سازد. گاهی اوقات خطاها در فرآیند کپی می‌تواند منجر به جهش‌هایی شود که در آن یک یا چند بلوک ساختمانی تعویض، حذف یا اضافه می‌شوند. این اتفاق ممکن است ژن‌ها را که برگه‌های دستورالعمل ساخت پروتئین‌ها هستند، تغییر دهد. پروتئین‌ها به ارگانیسم اجازه عملکرد می‌دهند و تغییر در ژن و به تبع آن در پروتئین می‌تواند در نهایت بر ویژگی‌های فیزیکی آن ارگانیسم تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، در انسان، رنگ چشم و مو نتیجهٔ تغییرات ژنتیکی است که می‌تواند از جهش ایجاد شود. در مورد ویروسی که باعث COVID-19 یا SARS-CoV-2 می‌شود، جهش‌ها می‌توانند توانایی آن برای انتشار، ایجاد عفونت یا حتی فرار از سیستم ایمنی را تغییر دهند.

پژوهشگران برای این‌که بفهمند جهش‌ها چگونه بر مقاومت آنتی‌بیوتیکی تأثیر می گذارد، از توالی‌یابی DNA استفاده می‌کنند. آن‌ها از ابزارهایی برای تعیین توالی DNA در کار خود استفاده می‌کنند، همان ابزارهایی که دانشمندان در حال حاضر برای مطالعهٔ ویروس SARS-CoV-2 از آن استفاده می‌کنند.

 

ژنوم‌ها چگونه توالی‌یابی می‌شوند؟

یکی از اولین روش‌هایی که دانشمندان در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ استفاده کردند، توالی‌یابی سَنگِر بود که شامل برش DNA به قطعات کوتاه و اضافه کردن برچسب‌های رادیواکتیو یا فلورسنت برای شناسایی هر نوکلئوتید بود. سپس قطعات را در یک الک الکتریکی قرار می‌دهند که آن‌ها را بر اساس اندازه مرتب می‌کند. در مقایسه با روش‌های جدیدتر، توالی‌یابی سَنگِر کند است و می‌تواند تنها بخش‌های نسبتاً کوتاهی از DNA را پردازش کند. این روش علی‌رغم محدودیت‌هایش، داده‌های بسیار دقیقی ارائه می‌کند و برخی از محققان هنوز از این روش برای توالی‌یابی نمونه‌های SARS-CoV-2 استفاده می‌کنند.

از اواخر دههٔ ۱۹۹۰، توالی‌یابی نسل بعدی انقلابی در نحوهٔ جمع‌آوری داده‌ها و درک ژنوم توسط محققان ایجاد کرد. این فناوری‌ها که با نام NGS شناخته می‌شوند، می‌توانند همزمان حجم‌ بسیار بالاتری از DNA را پردازش کنند و زمان لازم برای تعیین توالی ژنوم را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

 

دو نوع اصلی از پلتفرم‌های NGS وجود دارد: نسل دوم و نسل سوم توالی‌یابی.

فناوری‌های نسل دوم قادر به خواندن مستقیم DNA هستند. پس از برش DNA به قطعات، بخش‌های کوتاهی از مواد ژنتیکی به نام آداپتور به آن‌ها اضافه می‌شود تا به هر نوکلئوتید رنگ متفاوتی بدهد. به عنوان مثال، آدنین به رنگ آبی و سیتوزین به رنگ قرمز است. در نهایت، این قطعات DNA به رایانه وارد شده و در کل توالی ژنومی جمع می‌شوند.

فناوری‌های نسل سوم مانند Nanopore MinIon مستقیماً با عبور دادن کل مولکول DNA از طریق منافذ الکتریکی در توالی‌یاب، DNA را توالی‌یابی می‌کنند. از آن‌جایی که هر جفت نوکلئوتید جریان الکتریکی را به روشی خاص مختل می کند، توالی‌یاب می تواند این تغییرات را بخواند و مستقیماً آن‌ها را در رایانه آپلود کند. این به پزشکان اجازه می‌دهد تا نمونه‌ها را در مراکز بالینی و درمانی توالی‌یابی کنند. با این حال، Nanopore  حجم کمتری از DNA را در مقایسه با دیگر پلتفرم‌های NGS توالی‌یابی می‌کند.

اگرچه هر دسته از توالی‌یاب‌ها DNA را به روشی متفاوت پردازش می‌کنند، اما همگی می‌توانند میلیون‌ها یا میلیاردها بلوک ساختمانی را که ژنوم‌ها را می‌سازند در مدت زمان کوتاهی (از چند ساعت تا چند روز) گزارش دهند. به عنوان مثال، Illumina NovaSeq می‌تواند تقریباً ۱۵۰ میلیارد نوکلئوتید، معادل ۴۸ برابر ژنوم انسان را تنها در سه روز توالی‌یابی کند.

 

استفاده از داده‌های توالی‌یابی برای مبارزه با کرونا

پاسخ‌های سریع بهداشت عمومی به SARS-CoV-2 نیازمند آگاهی دقیق از چگونگی تغییر ویروس در طول زمان است. دانشمندان از زمان شروع همه‌گیری، از توالی‌یابی ژنوم برای ردیابی SARS-CoV-2 استفاده کرده‌اند. میلیون‌ها ژنوم منفرد SARS-CoV-2 توالی‌یابی شده و در پایگاه داده‌های عمومی مختلف نگهداری شده‌اند.

نظارت بر ژنوم این ویروس به مسئولان بهداشت عمومی در تصمیم‌گیری هنگام مواجه با ظهور هر گونهٔ جدید کمک می‌کند. به عنوان مثال، تعیین توالی ژنوم نوع omicron به محققان این امکان را داد تا بیش از ۳۰ جهش را در پروتئین اسپایک شناسایی کنند که به ویروس اجازه می‌دهد به سلول‌های بدن انسان متصل شود. این امر باعث می شود omicron یک نوع نگران کننده باشد، زیرا این جهش‌ها به توانایی ویروس برای انتشار کمک می‌کنند. محققان هنوز در حال یادگیری هستند که چگونه این جهش‌ها، ممکن است بر شدت عفونت‌هایی که omicron ایجاد می‌کند تأثیر بگذارد و چگونه می‌تواند از واکسن‌های فعلی فرار کند.

توالی‌یابی همچنین به محققان کمک کرده تا انواعی را که در مناطق جدید گسترش می‌یابند شناسایی کنند. به عنوان مثال، محققان دانشگاه کالیفرنیا در سانفرانسیسکو پس از دریافت نمونهٔ SARS-CoV-2 جمع‌آوری شده از مسافری که در ۲۲ نوامبر ۲۰۲۱ از آفریقای جنوبی بازگشته بود، توانستند حضور omicron را در پنج ساعت تشخیص دهند و تقریباً کل ژنوم را در اختیار داشتند. به این ترتیب پس از این زمان، مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها گسترش omicron را زیر نظر گرفته و به دولت در مورد راه‌هایی برای جلوگیری از انتقال گستردهٔ آن توصیه می‌کند.

تشخیص سریع omicron در سراسر جهان بر قدرت نظارت قوی ژنومی و ارزش به اشتراک گذاری داده‌های ژنومی در سراسر جهان تأکید دارد. درک ساختار ژنتیکی ویروس و انواع آن به محققان و مقامات بهداشت عمومی بینش‌هایی در مورد چگونگی به روز رسانی دستورالعمل‌های بهداشت عمومی و به حداکثر رساندن تخصیص منابع برای تولید واکسن و دارو می‌دهد. توالی‌یابی ژنومی با ارائهٔ اطلاعات ضروری در مورد چگونگی جلوگیری از گسترش انواع جدید، جان افراد بی‌شماری را در طول این همه‌گیری نجات داده و خواهد داد.

 

منبع: scitechdaily

 

کلید واژه ها: #COVID-19 #Coronavirus #Omicron #Virology #Bioinformatics