Cách Covid-19 biến đổi hệ gen và thay đổi việc xử lý các đợt bùng phát dịch bệnh

Nếu đại dịch xảy ra mười năm trước, sẽ có nhiều khác biệt, nhưng có lẽ điểm nổi bật nhất là sự thiếu tương đối của trình tự gen. Đây là nơi toàn bộ mã di truyền hay “bộ gen” của virus corona trong mẫu thử nghiệm được đọc và phân tích nhanh chóng.

Khi bắt đầu đại dịch, việc xác định trình tự thông báo cho các nhà nghiên cứu rằng họ đang đối phó với một loại virus chưa từng thấy trước đây. Việc giải mã nhanh chóng mã di truyền của vi rút cũng cho phép các loại vắc xin được phát triển ngay lập tức, và một phần giải thích tại sao chúng lại có sẵn trong thời gian kỷ lục.

Bản thân việc sắp xếp theo trình tự không phải là mới – điều khác biệt ngày nay là số lượng diễn ra. Bộ gen của các biến thể đang được thử nghiệm trên khắp thế giới với tốc độ chưa từng có, khiến COVID-19 trở thành một trong những đợt bùng phát được thử nghiệm nhiều nhất từ ​​trước đến nay.

Cùng với thử nghiệm PCR, việc giải mã trình tự đã giúp tiết lộ sự xuất hiện của biến thể alpha vào mùa đông năm 2020. Nó cũng cho thấy rằng alpha đang nhanh chóng trở nên phổ biến hơn, tiết lộ rằng nó có những đột biến đáng kể liên quan đến việc gia tăng lây truyền. Điều này đã giúp đưa ra các quyết định nhằm thắt chặt các hạn chế.

Việc giải trình tự cũng thực hiện tương tự đối với omicron, xác định các đột biến liên quan đến nó và xác nhận tốc độ lan truyền của nó. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của Vương quốc Anh để tăng tốc chương trình tiêm chủng của mình.

Tầm quan trọng của xác định trình tự gen là không thể phủ nhận. Nhưng nó hoạt động như thế nào và làm thế nào mà nó lại trở nên phổ biến như vậy?

Cũng giống như con người, mỗi bản sao của virus corona có bộ gen riêng, dài khoảng 30.000 ký tự. Khi virus sinh sản, bộ gen của nó có thể bị đột biến một chút do sai sót khi sao chép nó. Theo thời gian, những đột biến này cộng lại và chúng phân biệt một biến thể của vi rút với một biến thể khác. Bộ gen của một biến thể cần quan tâm có thể chứa từ 5 đến 30 đột biến.

Bộ gen của virus được tạo ra từ RNA và mỗi ký tự trong số 30.000 ký tự của nó là một trong bốn khối xây dựng, được thể hiện bằng các chữ cái A, G, C và U. Giải trình tự là quá trình xác định thứ tự duy nhất của chúng. Các công nghệ khác nhau có thể được sử dụng cho việc này, nhưng một công nghệ đặc biệt quan trọng trong việc đưa chúng ta đến vị trí của chúng ta là giải trình tự các lỗ hổng nano. Mười năm trước, công nghệ này không có sẵn như ngày nay. Đây là cách nó hoạt động.

Đầu tiên RNA được chuyển đổi thành DNA. Sau đó, giống như một sợi bông dài được kéo qua một lỗ kim trên một tấm vải, DNA được kéo qua một lỗ trên màng. Lỗ nano này nhỏ hơn một triệu lần so với đầu ghim. Khi mỗi khối cấu tạo của DNA đi qua lỗ nano, nó sẽ phát ra một tín hiệu duy nhất. Một cảm biến phát hiện các thay đổi tín hiệu và một chương trình máy tính giải mã điều này để tiết lộ trình tự.

Thật đáng ngạc nhiên, cỗ máy hàng đầu để thực hiện giải trình tự lỗ nano – MinION, được phát hành bởi Oxford Nanopore Technologies (ONT) vào năm 2014 chỉ có kích thước bằng một chiếc kim bấm; các kỹ thuật giải trình tự khác (chẳng hạn như những kỹ thuật được phát triển bởi Illumina và Pacific BioSciences) thường yêu cầu thiết bị cồng kềnh và một phòng thí nghiệm đầy ắp. Do đó, MinION cực kỳ di động, cho phép xác định trình tự xảy ra trên mặt đất khi dịch bệnh bùng phát.

Điều này lần đầu tiên xảy ra trong đợt bùng phát Ebola 2013-2016 và sau đó là trong đợt dịch Zika 2015-2016. Các phòng thí nghiệm bật lên được thiết lập ở những khu vực thiếu cơ sở hạ tầng khoa học, cho phép các nhà khoa học xác định nguồn gốc của từng đợt bùng phát.

Kinh nghiệm này đã đặt nền tảng cho việc xác định trình tự của virus corona ngày nay. Các phương pháp được mài giũa trong thời gian này, đặc biệt là bởi một nhóm nghiên cứu bộ gen được gọi là Mạng lưới khớp, đã được chứng minh là vô giá. Chúng nhanh chóng được điều chỉnh để COVID-19 trở thành cơ sở mà hàng triệu bộ gen virus corona đã được giải trình tự trên toàn cầu kể từ năm 2020. Việc giải trình tự chuỗi nano của Zika và Ebola đã cho chúng ta phương pháp giải trình tự ở quy mô chưa từng thấy ngày nay.

Điều đó có nghĩa là, nếu không có công suất lớn hơn nhiều của các máy để bàn của Illumina, Pacific Biosciences và ONT, chúng ta sẽ không thể tận dụng kiến ​​thức thu được thông qua giải trình tự lỗ nano. Chỉ với những công nghệ khác này, người ta mới có thể thực hiện giải trình tự ở khối lượng hiện tại.

Với COVID-19, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi đợt bùng phát chỉ khi nó bắt đầu. Nhưng việc tạo ra các chương trình kiểm tra và xét nghiệm nhanh các bệnh mới khác, cũng như cơ sở hạ tầng để tiến hành giải trình tự rộng rãi, hiện đã bắt đầu. Những thứ này sẽ cung cấp một hệ thống cảnh báo sớm để ngăn chặn đại dịch tiếp theo khiến chúng ta bất ngờ.

Ví dụ trong tương lai, các chương trình giám sát có thể được thực hiện để giám sát nước thải để xác định các vi khuẩn gây bệnh (được gọi là mầm bệnh) hiện diện trong quần thể. Việc xác định trình tự sẽ cho phép các nhà nghiên cứu xác định các mầm bệnh mới, cho phép bắt đầu sớm việc hiểu và theo dõi đợt bùng phát tiếp theo trước khi nó vượt khỏi tầm tay.

Trình tự gen cũng đóng một vai trò trong tương lai của ngành y tế và chăm sóc sức khỏe. Nó có tiềm năng chẩn đoán các rối loạn di truyền hiếm gặp, cung cấp thông tin cho y học được cá nhân hóa và theo dõi mối đe dọa ngày càng gia tăng của tình trạng kháng thuốc.

Cách đây 5 đến 10 năm, các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu thử nghiệm công nghệ giải trình tự trên các đợt bùng phát virus nhỏ hơn. Những ảnh hưởng của hai năm qua đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong việc sử dụng giải trình tự để theo dõi sự lây lan của dịch bệnh. Điều này được thực hiện nhờ công nghệ, kỹ năng và cơ sở hạ tầng đã phát triển theo thời gian.

Anh Đức