Il sequenziamento del genoma rappresenta oggi un pilastro fondamentale della medicina di precisione e della risposta alle pandemie. Il CRS4 (Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna) è all’avanguardia in questo ambito grazie alla piattaforma NEXT e al sequenziatore di ultima generazione Illumina NovaSeq X Plus che consente di effettuare sequenziamenti ad alto rendimento, riducendo i costi e aumentando l’accuratezza e l’affidabilità dei dati.
Nuova puntata della rubrica #CRS4Talk, qui le precedenti:
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La medicina personalizzata segna un cambiamento paradigmatico nell’approccio alla cura e al trattamento delle malattie, sostenuta da decenni di progressi in campi come la biologia molecolare, le biotecnologie, la genetica e l’informatica. Questo orientamento medico prende le mosse dall’idea che un’accurata comprensione delle caratteristiche genetiche individuali possa migliorare significativamente l’efficacia della prevenzione, diagnosi e terapia delle patologie.
La medicina personalizzata si basa dunque sulla convinzione che “il genoma di ciascun individuo, interagendo con l’ambiente, conferisca caratteristiche uniche a patologie complesse che possono così essere diagnosticate e curate in maniera più efficiente ed efficace”.
Conseguentemente, l’analisi del genoma, in interazione con i fattori ambientali, rivela peculiarità individuali che influenzano la predisposizione alle malattie, il loro sviluppo e la risposta ai trattamenti, offrendo una base per interventi più mirati ed efficaci.
L’iniziativa di sequenziamento del genoma umano degli anni ’90 ha rappresentato un punto di svolta, evidenziando che la sola identificazione dei geni non basta a decifrare la complessità delle malattie. Questa comprensione ha portato allo sviluppo delle cosiddette “scienze omiche” (genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica), che analizzano l’insieme dei geni, dei trascritti, delle proteine e dei metaboliti per ottenere una visione olistica dei processi biologici. Queste discipline richiedono avanzate capacità informatiche per elaborare e interpretare grandi quantità di dati, consentendo di delineare profili patologici dettagliati e di personalizzare i trattamenti in base alle caratteristiche uniche di ogni individuo. In questo contesto, la medicina personalizzata promette di rendere la cura delle malattie non solo più efficace ma anche più efficiente, attraverso un uso mirato delle informazioni genomiche.
Che cosa è il sequenziamento del genoma
Il sequenziamento genomico si occupa di decifrare l’ordine esatto delle basi (adenina, timina, citosina e guanina) che compongono il DNA, l’elemento portante delle informazioni biologiche in ogni organismo. Il genoma, ovvero la totalità del DNA contenuto in un organismo, racchiude le istruzioni genetiche necessarie per lo sviluppo, il funzionamento e la riproduzione. La capacità di leggere e interpretare questa sequenza genetica apre nuove frontiere nella comprensione delle malattie, permettendo di identificare le variazioni genetiche individuali che possono influenzare la predisposizione a certe condizioni, la risposta ai trattamenti o l’interazione con l’ambiente.
Nel dettaglio, il sequenziamento del genoma umano consente di rilevare le differenze genetiche che distinguono un individuo dall’altro, offrendo spunti cruciali per il trattamento personalizzato delle malattie rare, del cancro, delle patologie cardiovascolari o ancora di disturbi con base genetica come ad esempio le malattie autoimmuni. I progressi tecnologici hanno inoltre reso il sequenziamento genomico più accessibile e conveniente, favorendo la sua integrazione nell’assistenza sanitaria quotidiana. Oltre alla pura sequenza genetica, è fondamentale esplorare l’espressione genica e il ruolo delle regioni non codificanti, che, pur non traducendosi direttamente in proteine, svolgono funzioni regolatorie essenziali per il mantenimento della salute.
Breve storia del sequenziamento del genoma
La ricerca per il sequenziamento del genoma umano ha inizio negli anni ’70, quando Allan Maxam e Walter Gilbert dell’Università di Harvard pubblicarono la sequenza di 24 basi di DNA, un risultato raggiunto dopo due anni di lavoro. Questo primo successo aprì la strada a sviluppi metodologici significativi nella decodifica del DNA. Durante la stessa decade, due metodi distinti di sequenziamento videro la luce: uno sviluppato da Maxam e Gilbert e l’altro, ideato da Frederick Sanger dell’Università di Cambridge. Entrambi gli approcci hanno contribuito in modo fondamentale alla biologia molecolare, tanto che Sanger e Gilbert furono premiati con il Nobel per la chimica nel 1980. Il metodo di Sanger, in particolare, rivelatosi più veloce ed efficiente, utilizzava dideossinucleotidi per interrompere selettivamente la sintesi del DNA a lunghezze specifiche, permettendo così di determinare la sequenza di basi.
Il 1990 vide l’avvio del Progetto Genoma Umano, una collaborazione internazionale che mirava a mappare tutti i geni umani. Contrariamente alle aspettative iniziali, che vedevano un obiettivo così ambizioso come difficilmente realizzabile nel breve termine, il progetto giunse a compimento prima del previsto. Nel 2000, fu annunciata una prima bozza del genoma, seguita nel 2003 dalla pubblicazione di una versione quasi completa, coprendo il 99% del genoma umano con un tasso di errori minimo. Questo successo non solo dimostrò la fattibilità del sequenziamento su larga scala ma pose anche le basi per nuove tecniche e applicazioni in biomedicina.
Il sequenziamento del genoma di terza generazione
In questi anni abbiamo assistito all’avanzare della scienza e della tecnologia, si è assistito all’emergere di tecniche più avanzate e efficienti. Le cosiddette tecnologie di Next Generation Sequencing (NGS) hanno rivoluzionato il modo di sequenziare il DNA, permettendo di processare un grande numero di frammenti di DNA simultaneamente, in modo più rapido e a costi ridotti rispetto al metodo classico di Sanger. Il NGS si distingue per la capacità di lavorare con piccole quantità di DNA, eseguendo tutte le reazioni necessarie in una singola provetta e utilizzando sistemi di fissaggio automatico dei frammenti di DNA su supporti specializzati per l’amplificazione e la successiva sequenza.
Più recentemente, le tecnologie di terza generazione hanno introdotto ulteriori innovazioni, come la possibilità di leggere sequenze di DNA estremamente lunghe senza la necessità di frammentazione o amplificazione preliminare. Questi progressi offrono vantaggi significativi, tra cui una maggiore accuratezza e l’abilità di analizzare regioni genomiche complesse che erano difficilmente accessibili con tecniche precedenti. La scelta della tecnologia di sequenziamento più adatta può variare in base agli obiettivi specifici della ricerca, che possono spaziare dal sequenziamento completo di nuovi genomi all’analisi dettagliata di specifiche regioni genomiche o alla ricerca di mutazioni particolari in campioni di DNA noti.
L’integrazione di queste avanzate tecniche di sequenziamento con potenti strumenti bioinformatici consente non solo di generare vasti volumi di dati genomici ma anche di interpretarli efficacemente. Questi sviluppi tecnologici hanno portato a una riduzione drastica degli errori, dei tempi e dei costi associati al sequenziamento del genoma, aprendo la strada a nuove e promettenti opportunità nel campo della salute e della ricerca scientifica.
Ambiti applicativi del sequenziamento del genoma
Finora abbiamo fatto riferimento esclusivamente alla medicina di precisione come l’ambito applicativi d’eccellenza per il sequenziamento del genoma.
In realtà le applicazioni del sequenziamento del genoma e in particolare del Next Generation Sequencing (NGS) si estendono in vari ambiti, dimostrando non solo il potenziale di questa tecnologia ma anche la sua flessibilità.
In ambito biomedico e di genetica umana, il NGS permette il sequenziamento completo del genoma umano o di specifici gruppi di geni, offrendo una finestra dettagliata su variazioni genetiche che possono influenzare lo sviluppo di malattie, la predisposizione a certe condizioni o la risposta ai trattamenti farmacologici. La capacità di analizzare il trascrittoma attraverso RNASeq rivela variazioni nell’espressione genica, mentre la tipizzazione ad alta risoluzione dei geni HLA e la caratterizzazione del microbiota umano aprono strade verso una medicina più personalizzata e accurata. Inoltre, il NGS trova applicazione nello studio di patogeni, supportando la ricerca epidemiologica e la comprensione della resistenza ai farmaci e della virulenza.
Nel settore agrozootecnico e della sicurezza alimentare, il sequenziamento del genoma tramite NGS facilita la selezione di ceppi animali e vegetali con caratteristiche ottimali, migliorando la produttività e la resistenza alle malattie. Questa tecnologia supporta anche la tracciabilità geografica dei ceppi selezionati, l’analisi del metagenoma in ambienti agroalimentari per identificare contaminanti o patogeni, l’autenticazione di specie per prevenire frodi alimentari e la ricerca di organismi geneticamente modificati non autorizzati.
In microbiologia e virologia, il NGS accelera la scoperta di nuovi agenti patogeni e la caratterizzazione completa dei genomi di specifici microorganismi, sia in isolati che in campioni misti, rappresentando uno strumento prezioso per screening ad alta capacità e indagini epidemiologiche.
In genetica forense, il sequenziamento del genoma di nuova generazione eleva il livello di analisi del DNA, permettendo l’identificazione delle persone e l’inferenza di caratteristiche fenotipiche e dell’origine geografica con un grado di sensibilità e specificità mai raggiunto prima. Questo si rivela particolarmente utile in caso di campioni degradati, dove l’analisi del genoma mitocondriale può fornire dati chiave per l’identificazione dell’individuo. Complessivamente, l’evoluzione e l’applicazione del NGS spaziano attraverso una vasta gamma di settori, promettendo progressi significativi nella ricerca scientifica, nella medicina personalizzata, nella sicurezza alimentare e oltre.
Il sequenziamento del genoma nell’emergenza SARS-CoV-2
Durante la pandemia da COVID-19, la ricerca e il sequenziamento del genoma hanno assunto un ruolo cruciale nel tracciare l’evoluzione e la diffusione del virus SARS-CoV-2 e delle sue varianti. In Italia, l’Istituto Superiore di Sanità (ISS) ha coordinato una vasta rete di laboratori distribuiti su tutto il territorio nazionale, con l’obiettivo di raccogliere e analizzare le sequenze genetiche del virus. Questa iniziativa aveva portato alla creazione di ITALIAN-COVID-19-GENOMIC (I-Co-Gen), una piattaforma nazionale dedicata alla raccolta, analisi e condivisione dei dati genomici relativi a SARS-CoV-2.
I-Co-Gen ha funzionato come un fulcro per la sorveglianza genomica, consentendo ai laboratori accreditati di caricare i dati di sequenziamento e ricevere analisi automatiche sui campioni testati. Importante è stata la sua capacità di identificare tempestivamente varianti di interesse per la sanità pubblica, grazie anche a un sistema di allerta che segnalava l’emergere di nuove varianti. L’interconnessione con piattaforme internazionali come GISAID ha ulteriormente amplificato l’impatto di questa rete, facilitando lo scambio di informazioni vitali sulle varianti virali a livello globale.
Questo approccio coordinato e basato sulla condivisione dei dati ha permesso di monitorare l’evoluzione del virus in tempo reale, comprendere la sua trasmissibilità, virulenza e resistenza ai vaccini, orientando le strategie di intervento pubblico e informando la comunità scientifica internazionale.
La ricerca in Italia: CRS4 e Illumina NovaSeq X Plus
Tra le strutture di riferimento per la ricerca sul sequenziamento del genoma umano, il CRS4 (Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna), fondato nel 1990 dalla Regione Autonoma della Sardegna e gestito dall’agenzia regionale Sardegna Ricerche, è un centro di ricerca interdisciplinare che ha l’obiettivo di studiare, sviluppare e applicare soluzioni innovative con un approccio multidisciplinare avvalendosi di competenze e conoscenze fortemente specializzate.
Il Centro ha la sua sede nel Parco Scientifico e Tecnologico di Pula, vicino a Cagliari, un hub di ricerca avanzata con un team di circa 130 professionisti.
CRS4 si dedica allo sviluppo di tecnologie computazionali innovative e alla loro applicazione in ambiti chiave come le bioscienze, la società dell’informazione, l’aerospazio, l’energia e l’ambiente, mirando a sostenere la crescita economica e culturale della Sardegna attraverso la creazione di un ecosistema di imprese hi-tech. Attraverso un approccio multidisciplinare, il Centro lavora in stretta collaborazione con il mondo accademico, l’industria e la comunità scientifica, partecipando a importanti progetti nazionali e internazionali per lo sviluppo di prodotti, processi e servizi ad alto contenuto tecnologico.
Dallo scorso mese di maggio, CRS4 segna un importante avanzamento nella ricerca genomica grazie all’acquisto del sequenziatore Illumina NovaSeq X Plus, posizionandosi come primo ente in Italia a disporre di questa tecnologia all’avanguardia. Questo investimento, finanziato da Sardegna Ricerche con un milione di euro, permette al Centro, situato nel Parco scientifico e tecnologico di Pula, di eseguire sequenziamenti genomici di alta qualità a una velocità superiore e con costi ridotti rispetto alle tecnologie preesistenti, coprendo un ampio spettro di campioni, inclusi quelli umani, animali e vegetali. La capacità di produzione di dati di sequenziamento del NovaSeq X Plus, che può raggiungere i 120Tb al mese, insieme ai suoi progressi tecnologici in ottica, software e chimica, rendono questa macchina un punto di riferimento per il sequenziamento fino a decine di migliaia di genomi all’anno, garantendo una diminuzione significativa dei costi e degli errori, oltre a un miglioramento nell’efficienza di gestione dei dati.
La nuova strumentazione apre anche la strada a progetti di ricerca su larga scala, inclusi quelli volti a esplorare il patrimonio genetico della popolazione sarda. Integrando direttamente questa piattaforma con le risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) del Centro, il CRS4 si propone di elevare gli standard di qualità nel sequenziamento, riducendo i costi analitici e fornendo un servizio completo che va dalla produzione dei dati alla consultazione dei risultati attraverso un’interfaccia web.
Il CRS4 e la piattaforma NEXT
Nell’offerta di servizi alla comunità scientifica, la piattaforma NEXT del CRS4 rappresenta un avanzamento significativo nel campo della genomica, si tratta infatti di un laboratorio di sequenziamento ad alto rendimento che si distingue per l’elevata produttività a costi contenuti. Questa infrastruttura, unica nel panorama italiano, è supportata da un imponente centro di calcolo che dispone di oltre 8000 core e 6,3PB di storage, concepito per facilitare l’elaborazione e l’archiviazione dei dati biologici su larga scala, assicurando riproducibilità e tracciabilità. La dotazione di strumenti all’avanguardia, incluso il sequenziatore Illumina NovaSeq X Plus, eleva notevolmente le capacità di NEXT in termini di affidabilità, accuratezza e throughput dei dati di sequenziamento.
In aggiunta, NEXT sta integrando il sistema EVAdb, una soluzione open source accessibile via web per l’interpretazione clinica dei dati genomici, già impiegata in contesti diagnostici internazionali. Questo sistema, che include metodi modulari ed espandibili per l’analisi di vari tipi di dati, sarà accompagnato da un software LIMS (Laboratory Information Management System, software usato nei laboratori d’analisi per la gestione integrata di molteplici tipi di dati e processi) per ottimizzare la gestione dei flussi di lavoro in laboratorio. Questo strumento, progettato per fornire diversi livelli di accesso, facilita la condivisione di dati aggregati nel rispetto delle normative e consente agli utenti di filtrare e annotare i risultati seguendo criteri specifici.
La piattaforma NEXT, quindi, non solo migliora la capacità di sequenziamento e di analisi dei dati genomici, ma offre anche agli utenti la possibilità di richiedere analisi specifiche, gestire i progetti e accedere ai risultati attraverso un’interfaccia web intuitiva, consolidando il suo ruolo all’interno della comunità scientifica e di ricerca regionale e nazionale.
