El rol de la bioinformática desde la identificación hasta la generación de tratamientos para COVID-19

La compleja lucha contra la crisis sanitaria generada por el virus de reciente aparición COVID-19, nos ha revelado el rol fundamental de la ciencia frente a estos escenarios y la importancia de invertir en investigación científica para enfrentar con estrategias eficientes y eficaces este tipo de crisis. Una de las áreas de investigación crucial en la actualidad es la bioinformática que, a través de metodologías computacionales, aporta información sobre las relaciones evolutivas, características visibles o funcionales de un organismo. Así también podemos identificar genes o proteínas que nos permiten el descubrimiento de nuevos medicamentos. En esta oportunidad el equipo de divulgación científica del Núcleo Científico y Tecnológico en Biorecursos (BIOREN) de la Universidad de La Frontera, conversó con uno de sus investigadores expertos en esta área, el Dr. Michel Abanto.

“La bioinformática es una herramienta de aproximación a la comprensión biológica, ésta hace uso de datos e información multidisciplinares, los que pueden incluir resultados de ensayos experimentales o clínicos. En el contexto actual, la bioinformática tiene un papel fundamental tanto en la mejor comprensión de la biología del SARS-CoV-2, como en el desarrollo de vacunas y medicamentos para el tratamiento del COVID-19”, comenta el Dr. Abanto. En esta entrevista conversamos sobre métodos bioinformáticos para la identificación y clasificación del virus, además del importante rol que cumple esta área para la generación de fármacos para hacer frente a esta crisis sanitaria global.

¿Cómo se lleva a cabo el proceso de identificación y clasificación de un virus?

La taxonomía en virus, es decir, la forma como ellos son identificados, clasificados y nombrados implica, etapas de alineamiento de secuencias genéticas y análisis filogenéticos (origen genético) que pueden dar soporte a la taxonomía biológica del virus. En tanto a la clasificación y nombre es un tanto diferente a la que se aplica a otros organismos, ya que en virología los criterios que se usan incluyen las características morfológicas de la partícula viral, sus ácidos nucleicos (ADN o ARN según corresponda), filogenia (origen) y metadatos asociados (información complementaria a los datos originales) asociados en este caso, referentes al huésped que infecta, lugar geográfico de su identificación, células que infectan, entre otros y  esto puede variar de un grupo a otro de virus.

Existe un Comité internacional para taxonomía de virus (Committee on Taxonomy of Viruses – ICTV) quienes dan las recomendaciones de cómo clasificar cada grupo taxonómico. Pero en todos los casos, el sistema formal de nomenclatura viral es jerárquico (va desde orden a especie según importancia) y considera la diversidad genética del virus.

¿Qué rol cumple la bioinformática en la taxonomía de un virus y que antecedentes existen sobre COVID-19?

El nuevo virus, pertenece a la familia Coronaviridae la cual está formada por virus de ARN de hebra positiva. Los virus de esta familia infectan vertebrados y han sido parte de tres brotes zoonóticos importantes en las últimas dos décadas que son el SARS el 2003, MERS el 2012 y el COVID-19 el 2019. Es relevante recordar que una zoonosis es cuando hay transmisión de un patógeno de animales a humanos, manteniendo su capacidad infectiva.

En cada una de estas ocasiones, el virus fue clasificado taxonómicamente usando la información de su secuencia genética comparada con la de otros coronavirus. En el caso del coronavirus identificado en Wuhan, primero fue nombrado como 2019-nCoV y luego de generarse las primeras secuencias de su genoma completo se pudo conocer su organización y contenido genómico, así como su posición evolutiva entre los coronavirus ya conocidos. Estos primeros estudios también evidenciaron que este nuevo coronavirus se asemejaba más y se agrupaba con genomas de coronavirus de murciélago, 96% de semejanza entre sus secuencias, lo que llevó a sugerir que el murciélago sería su posible origen. Finalmente, consolidando la información del cuadro clínico, datos epidemiológicos e información genética el ICTV clasificó y nombró al 2019-CoV como SARS-CoV-2.

Desde el primer coronavirus ¿Cuántos han sido identificados a la actualidad?

De los 7 coronavirus ahora conocidos 229E, OC43, NL63 y HKU1 son prevalentes y causan síntomas de resfriado común en individuos inmunodeprimidos; los otros tres son el SARS-CoV (severe acute respiratory syndrome coronavirus), el MERS-CoV (Middle East respiratory syndrome coronavirus) y el SARS-CoV-2, causante este último de la enfermedad llamada COVID-19 (Coronavirus disease 2019).

¿Cuáles son las metodologías para investigar el COVID-19 que propone la bioinformática?

Una de las formas de estudiar estos virus es analizando sus genomas. Para llegar a esto se necesitan, además de los conocimientos básicos de la biología del virus, técnicas de secuenciación genética y bioinformática, siendo esta última una herramienta necesaria y útil para la identificación y caracterización de ORFs (Marcos abiertos de lectura), genes o cualquier particularidad genómica que ayude a la comprensión de la patogenicidad o de la interacción del virus con las células receptoras humanas. Una forma de lograr esto es mediante el modelamiento estructural de potenciales dominios de proteína de unión a receptores para predecir el grado de afinidad o dinámica de interacción entre el dominio y su receptor celular humano.

El objetivo es que los resultados que se vayan obteniendo por análisis bioinformáticos sean útiles para la comprensión de la biología del virus y su interacción con su huésped, pero también para seleccionar genes o regiones genómicas que tengan el potencial de servir para el diagnóstico, tratamiento y desarrollo de vacunas.

¿Qué información sobre el COVID-19 ha proporcionado esta disciplina hasta el momento?

Hoy sabemos por ejemplo que la proteína S (spike protein) del SARS-CoV-2 es una de las cuatro proteínas estructurales del virus que forman las protuberancias o espículas características de este virus y sería la que interacciona con el receptor ACE2 de las células humanas la que permite su invasión. Aquí nuevamente la bioinformática nos ayuda a entender la interacción entre los dominios de estas proteínas, pero también para predecir el efecto de estas interacciones cuando se generen mutaciones en los genes que codifican estas proteínas.

¿Cuál es el rol de la bioinformática en la generación de vacunas?

Sabemos que el desarrollo de vacunas o nuevos medicamentos es un camino largo que puede durar años y esto es porque son necesarias pasar por diferentes etapas que van desde los ensayos in vitro, pasando por ensayos en modelos animales, hasta llegar a estudios en humanos, dónde a su vez existen largas fases de ensayos clínicos. Pero una emergencia sanitaria como la que estamos viviendo hace que el mundo científico, paralelamente, se incline a evaluar medicamentos que ya existen y cuyo uso está aprobado, a esto se le conoce como reposición de medicamentos. Para la selección de los fármacos que podrían ser más eficaces al tratamiento del COVID-19 también la bioinformática se torna una herramienta importante. Gracias a esto se puede buscar moléculas de fármacos ya aprobados que podrían ser candidatos de tratamiento, esto lleva a una reducción importante de número de medicamentos a ser validados experimentalmente, lo cual sumado a que son fármacos ya aprobados no se serían necesarias las fases de prueba en humanos, acelerando el tiempo de indicación del fármaco para su uso oportuno.

¿Por qué es necesario aplicar conocimientos bioinformáticos frente a las posibles mutaciones de COVID-19?

Los virus ARN, se caracterizan por tener una mayor tasa de mutación comparadas con otros tipos de virus y depende de varios factores relacionados con su replicación. La tasa de mutación impulsa la evolución y la variabilidad de su genoma, lo que también podría permitir que escapen a la inmunidad del huésped, a desarrollar resistencia a ciertos medicamentos o que se pierda la eficacia de alguna vacuna. Todos estos cambios pueden variar de un linaje viral a otro por lo que, en tanto el virus se encuentre circulando será necesario ir secuenciando nuevos genomas del SARS-CoV-2 para ir monitoreando su variabilidad e ir prediciendo el efecto epidemiológico y clínico que éste pueda tener. Desde el punto de vista bioinformático, los genomas que van siendo secuenciados pueden ser depositados en repositorios de acceso abierto como Genbank u otros que tienen ciertas restricciones como GISAID. Además, existen muchas herramientas computacionales que permiten hacer los análisis de diversidad, evolución y dispersión del virus como BEAST y SPREAD3; o plataformas online como NextStrain que van incorporando y procesando genomas y metadatos del SARS-CoV-2 de todo el mundo, consolidándolos en una interfaz rica e interactiva.

La bioinformática es un área de conocimiento indispensable que es utilizada para fortalecer medidas de control y monitoreo de esta pandemia por lo cual su estudio y desarrollo se torna fundamental. Así también lo es la colaboración entre investigadores y el financiamiento para la adquisición de equipos tecnológicos multidisciplinarios que optimicen el tiempo de análisis en la búsqueda de nuevas estrategias para afrontar la crisis sanitaria actual.

La bioinformática es un área de conocimiento indispensable que es utilizada para fortalecer medidas de control y monitoreo de esta pandemia por lo cual su estudio y desarrollo se torna fundamental. Así también lo es la colaboración entre investigadores y el financiamiento para la adquisición de equipos tecnológicos multidisciplinarios que optimicen el tiempo de análisis en la búsqueda de nuevas estrategias para afrontar la crisis sanitaria actual.

Reiteramos, como equipo de divulgación científica BIOREN-UFRO, el llamado a la comunidad a adoptar todas las medidas necesarias que incluyen el distanciamiento social y respetar los períodos de cuarentena para prevenir contagios y propagación de COVID-19.

Escritura y edición
Francisca Gómez- María Javiera Guarda
Equipo de Divulgación Científica BIOREN-UFRO