Controllo di qualità per il sequenziamento genico

I ricercatori del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea hanno sviluppato un nuovo metodo con cui possono registrare geneticamente l'enorme gamma di anticorpi di un organismo vivente in un'unica soluzione. Ciò consente, ad esempio, di tracciare con estrema precisione il modo in cui il sistema immunitario produce anticorpi per difendersi da un agente patogeno dopo una vaccinazione o un'infezione. Il nuovo metodo genetico sviluppato dagli scienziati guidati da Sai Reddy, professore di ingegneria biomolecolare, fornisce molte più informazioni rispetto alle precedenti tecniche di rilevamento degli anticorpi esistenti da decenni.

Invece delle proteine degli anticorpi, la tecnica degli scienziati dell'ETH analizza le molecole di RNA messaggero che servono al macchinario di produzione delle proteine dell'organismo come istruzioni per la costruzione degli anticorpi. Gli scienziati utilizzano il sequenziamento dell'RNA per decifrare le istruzioni e determinarne il numero.

Un gran numero di anticorpi

"Negli ultimi anni la scienza ha compiuto grandi progressi nella tecnologia del sequenziamento. Il sequenziamento è diventato più veloce ed economico. Inoltre, oggi è possibile elaborare e analizzare enormi quantità di dati con l'aiuto dei computer", spiega Reddy. "Tuttavia, in passato il metodo era poco adatto all'analisi dell'RNA degli anticorpi".

Una delle sfide principali è che il numero di anticorpi presenti nell'organismo è enorme: si stima che esistano diversi miliardi di varianti. Le loro differenze a livello genetico sono talvolta minime.

La precisione come sfida

Per preparare le molecole di RNA al sequenziamento, gli scienziati copiano prima il loro codice genetico miliardi di volte. Durante questo processo possono insinuarsi degli errori (mutazioni). Finora non è stato facile per gli scienziati decidere se due sequenze genetiche leggermente diverse rappresentano effettivamente due anticorpi diversi o se rappresentano un unico anticorpo in cui si sono insinuate mutazioni durante la preparazione del campione.

Inoltre, il sequenziamento di una miscela di molecole di RNA ha finora fornito solo informazioni molto imprecise sulla frequenza delle rispettive molecole nella miscela. Il motivo è che non tutte le molecole vengono amplificate esattamente nella stessa misura quando le molecole di RNA vengono copiate.

Chi siamo evita più del 98% degli errori

Per superare questi problemi, Reddy e i suoi colleghi hanno integrato il sequenziamento dell'RNA con un sistema di controllo basato su codici a barre genetici. Grazie a questo sistema e all'analisi computerizzata dei dati di sequenziamento, sono riusciti ad aumentare in modo massiccio l'accuratezza del sequenziamento, sia in termini di mutazioni inserite artificialmente che di concentrazione relativa delle molecole di RNA nella miscela. "Ora siamo in grado di eliminare oltre il 98% di tutti gli errori", afferma Tarik Kahn, postdoc nel gruppo di Reddy.

Nello specifico, nel nuovo processo ogni molecola di RNA viene etichettata con un codice a barre genetico casuale ma unico prima dell'amplificazione. Inoltre, un codice a barre unico viene allegato alle molecole durante l'amplificazione.

Utilizzando i codici a barre, gli scienziati possono determinare le molecole di RNA anticorpo originali in un'analisi computerizzata dei dati di sequenziamento (e distinguerle dalle molecole mutate nel processo di sequenziamento). I ricercatori possono anche utilizzare i codici a barre e un algoritmo per determinare la frequenza effettiva delle molecole di RNA anticorpo.

Sviluppo di vaccini e diagnosi precoce

Il nuovo metodo permette ora di utilizzare il sequenziamento dell'RNA anticorpale nella ricerca immunologica. È utile, ad esempio, per lo sviluppo di farmaci e vaccini anticorpali. I collaboratori stanno collaborando con diverse aziende farmaceutiche. "Ad esempio, la nostra tecnologia può essere utilizzata per tracciare con estrema precisione i cambiamenti della risposta immunitaria nel tempo, ad esempio nei pazienti con infezione da HIV", spiega l'ETH, che per la sua ricerca ha recentemente ricevuto una delle ambite borse di studio del Consiglio europeo della ricerca (ERC). "Con le precedenti misurazioni delle proteine anticorpali, gli scienziati hanno scoperto soprattutto gli anticorpi più comuni. Tuttavia, una risposta immunitaria produce sempre un'intera gamma di anticorpi leggermente diversi. Con il sequenziamento, anche quelli meno comuni possono essere caratterizzati in modo molto preciso e molto rapido".

Inoltre, il sequenziamento dell'RNA anticorpale può essere utilizzato per rilevare piccole quantità di RNA anticorpale in una fase precoce, mentre la misurazione delle proteine si basa su una concentrazione sufficientemente elevata di proteine anticorpali nel sangue. Il sequenziamento apre quindi nuove possibilità di diagnosi, ad esempio per la diagnosi precoce del cancro o delle malattie autoimmuni.