Metagenomik sıralama adı verilen bir araç, bilinmeyen patojenlerin saptanmasına yardımcı olabilir.
18 Aralık 2019'da Wuhan Merkez Hastanesi, kış gribi mevsiminde yaygın olan semptomları olan bir hastayı kabul etti: ateş ve zatürree olan 65 yaşında bir adam. Acil servis müdürü Ai Fen, antibiyotikler ve grip önleyici ilaçları içeren tipik bir tedavi planını denetledi.
Altı gün sonra, hasta hala hastaydı ve haberlere ve bu dönemin evrimci biyolog Michael Worobey tarafından ayrıntılı bir şekilde yeniden yapılandırılmasına göre Ai'nin kafası karışmıştı. Solunum departmanı, dizileme adı verilen bir süreç olan genetik kodunu okuyarak suçlu patojeni tanımlamaya karar verdi. Hastanın ciğerlerinin bir kısmını salinle yıkadılar, sıvıyı topladılar ve örneği bir biyoteknoloji şirketine gönderdiler. 27 Aralık'ta hastane sonuçları aldı: Adam, 17 yıl önce başlayan SARS salgınına neden olanla yakından ilişkili yeni bir koronavirüse yakalanmıştı.
Orijinal SARS virüsü, ilk vakalar kaydedildikten beş ay sonra dizilendi. Bu tür geleneksel dizileme, her seferinde yalnızca bir organizmanın tam genetik kodunu veya genomunu okur ve bunun önce bir numuneden dikkatlice izole edilmesi gerekir. Wuhan Merkez Hastanesi tarafından işe alınan araştırmacılar, bir numunedeki her organizmanın genomunu bir kerede okuyan metagenomik dizileme adı verilen daha zahmetli bir teknik kullanarak yeni virüsün haritasını bu kadar hızlı bir şekilde çıkarabildiler - bu kadar yoğun bir hazırlık gerektirmeden. Geleneksel yaklaşım, tek bir kitabı rafta bulup kopyalamak gibiyse, metagenomik sıralama, tüm kitapları raftan alıp hepsini bir kerede taramak gibidir.
Bir dizi genomu hızlı bir şekilde okuma yeteneğinin, ekolojiden kanser tedavisine kadar birçok alanda yararlı olduğu kanıtlanmıştır. Ve COVID-19 salgını, bazı araştırmacıları yeni hastalıkları tespit etmeye ve onlara daha önce - salgın haline gelmeden ve potansiyel olarak insanlara bulaşmadan önce - yanıt vermeye çalışmak için metagenomik kullanmaya itti. Bu uzmanlardan bazıları, tıp camiası bu teknolojiyi uygulamış olsaydı, Amerika Birleşik Devletleri'nde COVID-19'un erken yayılmasının daha hızlı engellenebileceğini söylüyor.
California San Francisco Üniversitesi'nde biyokimya ve biyofizik profesörü ve ABD'de biyokimya ve biyofizik profesörü olan Joe DeRisi, "Metagenomik dizileme daha rutin bir şekilde yapılsaydı, belki de sadece 20 enfeksiyon olduğunda bunun ne olduğunu bilirdik" dedi. kar amacı gütmeyen bir araştırma merkezi olan Chan Zuckerberg Biohub.
Ancak metagenomiklerin ham gücü açık olsa da, onu potansiyel salgınları bastırmak için kullanmanın zorlukları var. Teknik, yoğun bilgisayar işlemesi gerektirir, bu da onu diğerlerinden daha maliyetli hale getirir ve sonuçları yorumlamak için daha fazla uzmanlık gerektirir. Tedaviye rehberlik etmek için üretilen bol miktarda metagenomik veri kullanmak, örneğin belirli bir patojenin belirli bir hastalığa neden olup olmadığı net olmadığında, tıbbi karar verme konusunda ikilemleri de artırır.
Yine de, savunucular maliyetlerin buna değer olduğunu söylüyor. Ulusal Alerji ve Bulaşıcı Hastalıklar Enstitüsü'nde bulaşıcı bir hastalık araştırmacısı olan Jessica Manning, "Metagenomik, aramayı bilmediğimiz şeyleri arayarak pandemiye hazırlıkta kritik bir rol oynuyor" dedi.
Son birkaç on yılda metagenomiklerin yükselişi, kısmen genom dizilemedeki ilerlemelerden kaynaklanmaktadır. Araştırmacılar, genomun içeriğini okumak için önce genetik bilgiyi depolayan molekülleri, uzun nükleotit zincirleri olan DNA ve RNA'yı, yani genetik kütüphanenin harflerini izole ederler. Daha sonra uzun molekülleri daha kısa parçalara bölerler ve her parçadaki harflerin sırasını okurlar. Son olarak, tüm genomu yeniden yapılandırmak için daha kısa "okumaları" birleştirir.
Son 40 yılda inovasyon, özellikle otomasyon, bu sürecin her parçasını önemli ölçüde iyileştirdi. 1990 yılında başlatılan İnsan Genomu Projesi, 20 araştırma grubu arasında on yıldan fazla koordineli bir çalışma gerektirdi ve yaklaşık bir milyar dolara mal oldu. Bugün bir insan genomu, bir bilim adamı tarafından bir günde milyonda bir maliyetle daha doğru bir şekilde dizilenebiliyor.
Teknoloji geliştikçe, araştırmacılar birçok organizmayı aynı anda sıralamaya çalışmaya başladılar; bu, herhangi bir sayıda genom oluşturmak için milyonlarca kısa okumanın nasıl bir araya geldiğini bulmayı gerektiren karmaşık bir görevdi. Sonunda araştırmacılar, güçlü bilgisayar ağlarını kullanarak dizileri çözebilen gelişmiş yazılımlar yazdılar.
Kaliforniya'daki bilgisayarlarda bu çetrefilli sıralama bulmacalarını çözen ve ardından sonuçları kullanıcılara gönderen Chan Zuckerberg ID adlı ücretsiz bir çevrimiçi yazılım paketi oluşturan DeRisi, "Bu işi yapmak için yüz binlerce CPU'yu döndürmek alışılmadık bir durum değil" dedi. uzak yerlerde.
Metagenomik dizileme, özellikle araştırmacıların bir ortamdaki mikroorganizmaların karışımını inceledikleri bazı araştırma alanlarında hızla vazgeçilmez hale geldi. Sidney Üniversitesi'nde patojen uzmanı olan Edward Holmes, "Sıralı virüslerin sayısı patlıyor" dedi. “Eski günlerde virüsleri kültürler ve teker teker sıralardınız. Daha fazla yok. Şimdi sadece metagenomik.
Tıpta metagenomik, grip veya strep gibi daha rutin testlerle tespit edilemeyen hastalıkları açıklamaya yardımcı olabilir. Ai Fen ve Wuhan Merkez Hastanesindeki meslektaşları, yeni koronavirüsün ilk kanıtlarından bazılarını böyle buldu.
Ancak araştırmacılar, salgınları erken tespit etmeye çalışmak, belki de başka bir pandemiyi önlemek için metagenomikleri daha kasıtlı olarak kullanıyorlar. Bariz bir potansiyel risk, bu yüzyılda insanlarda halihazırda iki büyük yeni hastalığa neden olan koronavirüslerden kaynaklanmaktadır. Virüslerin Asya'daki hayvanlar arasında nasıl hareket ettiğini bulmak için bir araç olarak metagenomik kullanmak, araştırmacılara yeni insan patojenlerinin gelişimi hakkında erken uyarı verebilir. Örneğin, 2021'de Kamboçya'daki araştırmacılar yerel yarasalardan alınan örnekleri metagenomik olarak sıraladılar ve SARS-CoV-2'nin bilinen en yakın akrabalarından ikisini buldular. 2019'da Çin'de aynı yaklaşımı kullanan bir grup, pangolinlerin benzer virüsler taşıdığını ve bunları insanlara geçirmek için bir vektör olabileceğini keşfetti. SARS'ın muhtemel doğum yerini bulan ve Wuhan Viroloji Enstitüsü'nün SARS-CoV-2 duyurusuna öncülük eden Zheng-Li Shi, yarasalardaki virüsleri haritalamak için metagenomik kullandı.
Araştırmacılar ayrıca dünyanın diğer bölgelerindeki patojenleri izlemek için metagenomik kullanıyorlar. Chicago Üniversitesi'nde evrimsel bir biyolog olan Cara Brook, Madagaskar'da böyle bir proje yürütüyor. Ebola virüsü gibi insan patojenleri. Dahası, Madagaskar'daki insanlar daha büyük yarasalardan bazılarını yiyerek virüslerin yayılması için hazır bir fırsat sağlıyor.
Brook, Kasım 2022'de dört yüksek lisans öğrencisiyle birlikte üç yarasa türünden örnekler toplamak için Madagaskar'daki ormana gitti. En büyüğü olan Pteropus rufus, yaklaşık bir metre kanat açıklığına sahip olabilir ve oldukça büyük bir yemek yapar. Brook, "Göğüs kas kütlesi etkileyici," dedi. "Biftek gibi."
Brook kısa süre önce, ekibinin 2013'te numune aldığı ve etiketlediği bir yarasayı sağlıklı bir şekilde yakaladı. Yarasalar, benzer büyüklükteki diğer memelilerden çok daha uzun olan 40 yıla kadar yaşayabilir. Tek uçan memeliler olarak yarasaların bağışıklık sistemlerinde hem uzun ömürlerini hem de neden bu kadar çok virüs taşıdıklarını açıklayan benzersiz özellikler geliştirdikleri düşünülmektedir. Yarasaların bu kadar çok insan hastalığının kaynağı olmasının nedeni de bu olabilir.
2022'de Brook ve meslektaşları, Frontiers in Public Health dergisinde iki yeni koronavirüs dizisini bildirdi. Makaleye göre, virüsler insanlar için bir tehdit oluşturmuyor gibi görünüyor, ancak soy ağaçları hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak, araştırmacıların koronavirüslerin nasıl patojenik türlere dönüştüğünü daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir. Brook ayrıca Madagaskar'da açıklanamayan ateşi olan insanlardan alınan numuneleri sıralayarak, başka bir hayvandan çoktan geçmiş olan yeni patojenleri alıp alamayacağını görmek için sıralıyor.
Diğer gruplar da benzer şekilde bu tür geçişler arıyor. Örneğin 2018'de bir grup araştırmacı, ateşi olan ve yakın zamanda hayvanlarla temas kuran insanları test etmek için metagenomik dizilemeyi kullanarak Çin'deki üç hastanede bir nöbetçi program oluşturdu. Önümüzdeki üç yıl boyunca, Ağustos 2022'de New England Journal of Medicine'de tanımladıkları daha önce bilinmeyen bir virüse yakalanmış 35 kişi buldular. Araştırmacılar ayrıca hastaların evlerinin yakınında hayvanları test ettiler ve virüsü keçilerde buldular. köpekler, fareler, şanssız bir tarla faresi ve çoğu zaman araştırmacıların doğal rezervuarları olduğundan şüphelenilen farelerde.
Hastaların hiçbiri ölmedi ve araştırmacılar virüsün muhtemelen insanlar arasında yayılmadığını söyledi. Ancak virüs daha tehlikeli hale gelirse, doktorlar artık buna daha hazırlıklı olabilir.
 |
| Yaklaşık bir metre kanat açıklığı ile Pteropus rufus, Madagaskar'daki en büyük yarasadır. Ülkedeki insanlar daha büyük yarasaları yiyerek virüslerin yayılmasına fırsat tanıyor. |
Birçok araştırmacı Undark'a metagenomiklerin salgınları izlemede daha büyük bir rol oynaması gerektiğini söyledi. Washington Üniversitesi'nden bir mikrobiyolog olan Alexander Greninger, tekniği kullanmanın en bariz yolunun, hiçbir açıklama yapılmadan ölen insanları test etmek olduğunu söyledi. Greninger, "Bu, 'Hasta yönetimini değiştirmiyor' konusundaki nihai noktadır, ancak teşhis kuruluşunun neyin eksik olduğunu bilmesi önemlidir," dedi. "Bu yeni viral salgınlar için esas olarak ölüm oranıyla ilgilenmiyor muyuz?" O sordu. "Gerçekten de kömür madenindeki kanarya."
SARS-CoV-2'yi hızlı bir şekilde tanımlamak için kullanıldığında bile, metagenomik politik gerçekliğe çarptı. 2019'da Wuhan Merkez Hastanesinde Ai Fen, hastasının yeni bir koronavirüs taşıdığını duyduktan sonra yazılı bir raporda ilgili metnin etrafına kırmızı bir daire çizdi, belgenin fotoğrafını çekti ve diğer kişilerle bir grup sohbetine gönderdi. Wuhan'daki doktorlar. Kısa süre sonra hastane disiplin kurulundan "söylenti yaymak" ve "istikrara zarar vermek" suçlarından ağır bir azar aldı. Çinli yetkililer, güçlerini uygunsuz gerçeklerin yayılmasını durdurmak için kullanarak Wuhan'daki doktorları susturuyorlardı.
Ai'nin bu gecikmenin ne kadar maliyetli olacağını bilmesinin hiçbir yolu yoktu. Çin dergisi People'a "Bugün ne olacağını bilseydim, tüm kınama ve eleştirileri umursamaz ve her yerde konuşurdum" dedi.
Amos Zeeberg, çalışmaları The New Yorker, The Atlantic ve Discover gibi yayınlarda yer alan serbest çalışan bir gazetecidir.
Tags:
Bilim ve Keşif