Ogni volta che si verifica una grave epidemia, una delle prime domande che gli scienziati e il pubblico si pongono è: "Da dove viene?"

Per prevedere e prevenire future pandemie come il COVID-19, i ricercatori devono trovare l'origine dei virus che le causano. Questo non è un compito banale. Il origine dell'HIV non era chiaro fino a 20 anni dopo che si era diffuso in tutto il mondo. Gli scienziati non conoscono ancora l'origine dell'Ebola, anche se ha causato epidemie periodiche dagli anni '1970.

Come esperto in ecologia virale, mi viene spesso chiesto come gli scienziati rintracciano le origini di un virus. Nel mio lavoro ho scoperto molti nuovi virus e alcuni noti agenti patogeni che infettano le piante selvatiche senza causare alcuna malattia. Vegetali, animali o umani, i metodi sono in gran parte gli stessi. Rintracciare le origini di un virus richiede una combinazione di ampio lavoro sul campo, approfonditi test di laboratorio e un po' di fortuna.

I virus passano dagli ospiti di animali selvatici all'uomo

Molti virus e altri agenti patogeni che infettano le persone hanno origine negli animali. Queste malattie sono zoonotici, nel senso che sono causati da virus animali che sono passati alle persone e si sono adattati a diffondersi attraverso la popolazione umana.

Potrebbe essere allettante iniziare la ricerca dell'origine virale testando animali malati nel sito della prima infezione umana nota, ma gli ospiti selvatici spesso non mostrano alcun sintomo. I virus e i loro ospiti si adattano l'un l'altro nel tempo, quindi i virus spesso non causano sintomi evidenti della malattia finché non saltato su una nuova specie ospite. I ricercatori non possono semplicemente cercare animali malati.

Un altro problema è che le persone e i loro animali da cibo non sono fermi. Il luogo in cui i ricercatori trovano la prima persona infetta non è necessariamente vicino al luogo in cui è emerso per la prima volta il virus. Una sfida nel tracciamento dell'origine virale è l'ampia gamma di campioni umani e animali che devono essere raccolti e testati. LLuis Alvarez/DigitalVision tramite Getty Images

Nel caso del COVID-19, i pipistrelli erano il primo posto dove cercare. Sono ospiti conosciuti per molti coronavirus e sono la probabile fonte di altre malattie zoonotiche come SARS e MERS.

Per SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, il parente più prossimo che gli scienziati hanno trovato finora è BatCoVRaTG13. Questo virus fa parte di una raccolta di coronavirus di pipistrello scoperti nel 2011 e nel 2012 dai virologi del Wuhan Virology Institute. I virologi stavano cercando coronavirus correlati alla SARS nei pipistrelli dopo il Pandemia SARS-CoV-1 nel 2003. Hanno raccolto campioni fecali e tamponi faringei dai pipistrelli in un sito nella provincia dello Yunnan a circa 932 miglia (1,500 chilometri) dal laboratorio dell'istituto a Wuhan, dove hanno riportato i campioni per ulteriori studi.

Per verificare se i coronavirus dei pipistrelli potessero diffondersi nelle persone, i ricercatori hanno infettato cellule renali di scimmia e cellule umane derivate da tumore con i campioni dello Yunnan. Hanno scoperto che un certo numero di virus di questa raccolta potrebbe replicarsi nelle cellule umane, il che significa che potrebbero potenzialmente essere trasmessi direttamente dai pipistrelli all'uomo senza un ospite intermedio. Tuttavia, i pipistrelli e le persone non entrano in contatto diretto molto spesso, quindi è ancora abbastanza probabile un ospite intermedio.

Trovare i parenti più prossimi

Il passo successivo è determinare quanto sia strettamente correlato un sospetto virus della fauna selvatica a quello che infetta gli esseri umani. Gli scienziati lo fanno scoprendo la sequenza genetica del virus, che implica la determinazione dell'ordine degli elementi costitutivi di base, o nucleotidi, che compongono il genoma. Più nucleotidi condividono due sequenze genetiche, più sono strettamente correlate.

Il sequenziamento genetico del coronavirus di pipistrello RaTG13 ha dimostrato che è finito Identico al 96% alla SARS-CoV-2. Questo livello di somiglianza significa che RaTG13 è un parente piuttosto stretto di SARS-CoV-2, confermando che SARS-CoV-2 probabilmente ha avuto origine nei pipistrelli, ma è ancora troppo distante per essere un antenato diretto. Probabilmente c'era un altro ospite che ha catturato il virus dai pipistrelli e lo ha trasmesso agli umani. Per trovare l'ospite intermedio tra i pipistrelli e l'uomo, i ricercatori devono lanciare una grande rete e campionare molti animali diversi. AP Photo/Silvia Izquierdo

Poiché alcuni dei primi casi di COVID-19 sono stati riscontrati in persone associate al mercato della fauna selvatica a Wuhan, si è ipotizzato che un animale selvatico proveniente da questo mercato fosse l'ospite intermedio tra i pipistrelli e gli umani. Tuttavia, i ricercatori mai trovato il coronavirus negli animali dal mercato.

Allo stesso modo, quando un coronavirus correlato è stato identificato in pangolini confiscati in un'operazione anti-contrabbando nel sud della Cina, molti sono giunti alla conclusione che SARS-CoV-2 fosse passato dai pipistrelli ai pangolini agli umani. Il virus del pangolino è risultato essere identico solo al 91% a SARS-CoV-2, tuttavia, il che rende improbabile che sia un antenato diretto del virus umano.

Per individuare l'origine di SARS-CoV-2, è necessario raccogliere molti più campioni selvatici. Questo è un compito difficile: il campionamento dei pipistrelli richiede molto tempo e richiede rigorose precauzioni contro l'infezione accidentale. Poiché i coronavirus correlati alla SARS si trovano in pipistrelli in tutta l'Asia, compresi Thailandia e Giappone, è un mucchio di fieno molto grande per cercare un ago molto piccolo.

Creazione di un albero genealogico per SARS-CoV-2

Per risolvere il puzzle delle origini virali e del movimento, gli scienziati non devono solo trovare i pezzi mancanti, ma anche capire come si incastrano. Ciò richiede la raccolta di campioni virali da infezioni umane e il confronto di tali sequenze genetiche sia tra loro che con altri virus di origine animale.

Per determinare come questi campioni virali sono correlati tra loro, i ricercatori utilizzano strumenti informatici per costruire l'albero genealogico del virus, oppure filogenesi. I ricercatori confrontano le sequenze genetiche di ciascun campione virale e costruiscono relazioni allineando e classificando somiglianze e differenze genetiche.

L'antenato diretto del virus, che condivide la più grande somiglianza genetica, potrebbe essere considerato il suo genitore. Le varianti che condividono la stessa sequenza genitore ma con abbastanza modifiche da renderle distinte l'una dall'altra sono come fratelli. Nel caso di SARS-CoV-2, il Variante sudafricana, B.1.351, e la variante britannica, B.1.1.7, sono fratelli.

La costruzione di un albero genealogico è complicata dal fatto che parametri di analisi diversi possono dare risultati diversi: lo stesso insieme di sequenze genetiche può produrre due alberi genealogici molto diversi. Le sequenze nucleotidiche di sei virus immaginari sono mostrate in alto. Di seguito sono riportati due alberi genealogici di questi virus creati utilizzando due programmi diversi. L'albero a sinistra utilizza solo l'identità percentuale, mentre l'albero a destra considera anche se le due sequenze condividono caratteri simili. Marilyn Rossinck, CC BY-ND

Per SARS-CoV-2, l'analisi filogenetica si rivela particolarmente difficile. Anche se decine di migliaia di sequenze SARS-CoV-2 sono ora disponibili, non differiscono l'uno dall'altro abbastanza da formare un'immagine chiara di come sono collegati tra loro.

Il dibattito attuale: ospite selvaggio o spillover di laboratorio?

Potrebbe SARS-CoV-2 essere stato rilasciato da un laboratorio di ricerca? Sebbene prova attuale implica che non è così, 18 eminenti virologi hanno recentemente suggerito che questa domanda dovrebbe essere should ulteriormente indagato.

Sebbene ci siano state speculazioni sul fatto che SARS-CoV-2 sia stato progettato in un laboratorio, questa possibilità sembra altamente improbabile. Quando si confronta la sequenza genetica di RaTG13 selvaggio con SARS-CoV-2, le differenze vengono distribuite casualmente nel genoma. In un virus ingegnerizzato, ci sarebbero chiari blocchi di cambiamenti che rappresentano sequenze introdotte da una diversa fonte virale.

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Esiste una sequenza unica nel genoma di SARS-CoV-2 che codifica per una parte della proteina spike che sembra svolgere un ruolo importante nell'infezione delle persone. È interessante notare che una sequenza simile si trova nel coronavirus MERS che provoca una malattia simile al COVID-19.

Sebbene non sia chiaro come SARS-CoV-2 abbia acquisito queste sequenze, l'evoluzione virale suggerisce che siano originate da processi naturali. virus accumulare modifiche sia per scambio genetico con altri virus e con i loro ospiti, sia per errori casuali durante la replicazione. Virus che ottengono un cambiamento genetico che dà loro a vantaggio riproduttivo in genere continuerebbe a trasmetterlo tramite la replica. Il fatto che MERS e SARS-CoV-2 condividano una sequenza simile in questa parte del genoma suggerisce che si è evoluto naturalmente in entrambi e si è diffuso perché li aiuta a infettare le cellule umane.

Dove andare da qui?

Capire l'origine di SARS-CoV-2 potrebbe darci indizi per comprendere e prevedere future pandemie, ma potremmo non sapere mai esattamente da dove provenga. Indipendentemente da come il SARS-CoV-2 sia saltato sugli umani, è qui ora e probabilmente è qui per restare. In futuro, i ricercatori devono continuare a monitorarne la diffusione e vaccinare il maggior numero possibile di persone.

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