Le nuove frontiere del sequenziamento del DNA

L’evoluzione delle tecnologie nel sequenziamento del DNA apre prospettive nuove nella ricerca della genomica medica. Ne parliamo con Alberto Magi del Dipartimento di Medicina sperimentale e clinica, in occasione dell'uscita di una pubblicazione a guida UNIFI su Briefing in Bioinformatics.
sequenza di DNA
giobiz / 123RF Archivio Fotografico

Il sequenziamento del DNA ha rivoluzionato in questi anni lo studio delle fondamenta dei sistemi viventi, in particolare nel campo biomedico. L’evoluzione delle tecnologie in questo settore apre prospettive nuove nella ricerca della genomica medica. Ne parliamo con Alberto Magi del Dipartimento di Medicina sperimentale e clinica.

Partiamo dall’inizio. Cosa vuol dire sequenziare il DNA ? E perché è così importante?

Il sequenziamento del genoma consiste nel determinare l’ordine delle basi azotate (Adenina, Citosina, Guanina e Timina) che costituiscono il DNA di un organismo.
La sequenza del DNA contiene tutte le informazioni genetiche ereditarie di ogni organismo vivente e quindi la conoscenza del genoma è essenziale in ogni campo della biologia.

L’avvento di metodi per il sequenziamento del DNA ha cambiato profondamente la nostra comprensione dei meccanismi alla base della vita. In campo biomedico, è stato utilizzato per identificare e diagnosticare malattie ereditarie, per studiare le componenti genetiche delle malattie comuni multifattoriali, per comprendere le alterazioni genomiche dei tumori, sviluppare nuovi trattamenti farmacologici e predirne efficacia ed effetti avversi.

Da dove nasce il sequenziamento del DNA?

Le prime tecniche furono sviluppate da Frederick Sanger negli anni ’70. Consentivano di sequenziare frammenti di DNA nell’ordine di 1000 basi azotate e hanno permesso, negli anni ’90, la realizzazione del sequenziamento di interi genomi (da quello di piccoli organismi fino al genoma umano, Human Genome Project). Tuttavia, il sequenziamento di prima generazione è una tecnica che richiede tempi molto lunghi e costi molto elevati; basti pensare che il progetto “genoma umano” è costato complessivamente 4 miliardi di dollari.

Sono stati realizzati nuovi metodi?

Negli ultimi dieci anni, una nuova generazione di metodi (sequenziamento di seconda generazione) ha rivoluzionato la nostra capacità di studiare il genoma degli organismi. Queste tecnologie, grazie a processi di sequenziamento parallelo, consentono di ricostruire la sequenza di un intero genoma umano in pochi giorni e con costi molto convenienti. Grazie a queste tecnologie è stato possibile scoprire marcatori molecolari che aiutano i clinici nella diagnosi, nella prognosi e nella selezione personalizzata delle terapie (Medicina di precisione). Ma anche queste tecnologie hanno i loro limiti.

Quali?

I limiti sono legati alla lunghezza delle sequenze prodotte. I dati generati da queste piattaforme sono di fatto inadatti a risolvere la complessa struttura dei genomi in regioni critiche, spesso collegate a malattie, che comprendono varianti strutturali, elementi ripetuti e alterazioni del numero di copie dei geni.

Nell’aprile del 2014, è stato introdotto un sequenziatore tascabile, il MinION, basato sui nanopori, molecole organiche con una sorta di foro centrale attraverso cui il DNA è  fatto passare con il risultato di “srotolare” la lunga catena di basi che costituisce l’informazione genetica. Il sequenziatore (10 cm di lunghezza e 90 grammi di peso) si collega ad una porta USB di un computer portatile: le molecole di DNA attraversano i nanopori e le basi che le compongono vengono lette misurando il segnale elettrico prodotto.

Quali sono i vantaggi del nuovo metodo?

Il sequenziatore a nanopori è in grado di leggere sequenze di DNA molto lunghe (nell’ordine di decine di migliaia di basi) che facilitano la ricostruzione della struttura del genoma e consentono di identificare variazioni genetiche complesse. Tale aspetto è cruciale nello studio ad esempio del DNA di pazienti oncologici per i quali la causa della malattia e la risposta alle terapie sono legate alla presenza di geni duplicati o deleti.
 Al momento il sequenziatore a nanopori si è dimostrato efficace per la sorveglianza di patogeni batterici, Salmonella e Escherichia Coli, e virali, Ebola e Zika. L’applicazione su genomi umani, ancora in fase preliminare, ha consentito l’identificazione di varianti strutturali in tumori del pancreas e la scoperta di varianti puntiformi in pazienti affetti da leucemia.

Il sequenziamento con i nanopori è stato oggetto di un suo recente lavoro. Quali risultati avete ottenuto?

La grande mole e complessità dei dati generati da questa nuova generazione di sequenziatori richiedono metodi computazionali sempre più raffinati e sofisticati che consentano di estrarre l’informazione biologica rilevante rimuovendo errori casuali e sistematici.
Lo scorso 16 Giugno un gruppo di ricercatori dell’Università degli Studi di Firenze, formato dal sottoscritto, da Betti Giusti, docente di Patologia clinica, dai giovani ricercatori Alessandra Mingrino e Roberto Semeraro, oltre che da Romina D’Aurizio del CNR di Pisa, ha pubblicato sulla rivista internazionale “Briefing in Bioinformatics”, un articolo dal titolo “Nanopore sequencing data analysis: state of the art, applications and challenges” (doi:  10.1093/bib/bbx062) che offre una panoramica completa sugli approcci computazionali per l’analisi dei dati prodotti dai sequenziatori a nanopori.

Le nuove tecnologie consentiranno anche a piccoli laboratori di sequenziare un intero genoma umano in pochissimo tempo, ma parallelamente si apriranno grandi problemi legati all’analisi dei dati. Se da un lato, infatti, il costo legato al sequenziamento sarà sempre più basso, la quantità di dati prodotti aumenterà esponenzialmente richiedendo infrastrutture informatiche molto potenti e lo sviluppo di algoritmi efficienti capaci di analizzare questa enorme mole di dati.

Quali prospettive si aprono nella ricerca?

Nell’articolo abbiamo affrontato tutti gli aspetti algoritmici (legati ai metodi di analisi) del sequenziamento a nanopori, dalla ricostruzione di un intero genoma all’identificazione delle varianti (da varianti di una singola base alle più complesse varianti strutturali) e abbiamo dimostrato che, nonostante il sequenziamento a nanopori sia ancora in una fase sperimentale, può essere già applicato allo studio del genoma umano per applicazioni biomediche. L’avvento del sequenziamento a nanopori  rivoluzionerà ogni settore della genomica medica – cardiovascolare, oncologico, neurologico, immunologico, microbiologico – migliorando le attuali potenzialità diagnostiche e consentendo lo studio di varianti genetiche fino ad oggi impossibili da identificare.

Written By
More from Duccio Di Bari

Alla scoperta dei meccanismi dell’apprendimento

Uno dei segreti della nostra capacità di apprendere risiede in una proteina...
Leggi di più