Conceptul „Raman genome” facilitează identificarea rapidă a virusurilor
O echipă de cercetare condusă de Giuseppe Pezzotti la Centrul de Inginerie Biomedicală al Universității Medicale Kansai din Japonia a demonstrat că diferențele în structurile moleculare ale ARN-ului viral pot fi capturate sub formă de „coduri Raman”, permițând identificarea a 20 de variante și subvariante SARS-CoV-2.
Aceste descoperiri sunt așteptate să contribuie la dezvoltarea unei metode rapide de identificare a variantelor virale emergente.
Rezultatele cercetării au fost publicate online în revista Advanced Science pe 30 septembrie 2026.
În contextul cercetării, identificarea și monitorizarea variantelor virale s-au bazat tradițional pe secvențierea ARN-ului, care oferă informații detaliate despre secvența nucleotidică a unui virus, dar necesită proceduri îndelungate, instrumentație specializată, procesare a probelor și analize computaționale.
ARN-ul viral este mai mult decât o simplă secvență de patru baze genetice. Moleculele de ARN se pliază în structuri tridimensionale complexe prin interacțiuni între nucleotidele vecine și bazele complementare. Aceste structuri secundare pot influența comportamentul biologic al ARN-ului și pot diferi chiar și atunci când compoziția nucleotidică generală pare remarcabil similară. Spectroscopia Raman poate citi instantaneu astfel de structuri.
Cercetătorii au formulat întrebarea fundamentală: „Pot vibrațiile moleculare ale ARN-ului viral oferi o amprentă distinctivă a diferitelor variante virale, chiar și atunci când compoziția lor genetică convențională pare foarte similară?”
Spectroscopia Raman oferă o modalitate directă de a investiga vibrațiile moleculare. În loc să citească secvența ARN-ului literă cu literă, aceasta captează o amprentă vibrațională moleculară care provine din spatele ARN-ului, inelele ribofuranose, legăturile fosfatice și bazele azotate. Studiul introduce conceptul de codificare a acestor amprente sub formă de coduri Raman, oferind baza pentru un nou concept de „genom Raman”.
În cadrul cercetării, s-au extras firele nucleotidice de ARN din 20 de tulpini SARS-CoV-2, incluzând izolatul japonez original, Alpha, Beta, Gamma, Delta, Lambda, Theta, Mu și 12 subvariante Omicron.
Spectrele Raman ale acestor ARN-uri au fost sistematic obținute și deconvoluate matematic pentru a identifica componentele moleculare individuale. Deși toate probele împărtășeau semnale caracteristice asociate cu spatele ARN-ului, inelele ribofuranose, grupurile fosfatice și bazele azotate, au apărut diferențe subtile, dar reproducibile, între tulpini.
Este important de menționat că aceste diferențe nu reflectau doar variații în abundența relativă a celor patru baze ARN. Tulpinile investigate au arătat fracții de baze extrem de similare atunci când au fost evaluate din secvențele lor genomice, însă spectrele lor Raman au prezentat semnături moleculare semnificativ diferite.
Cercetătorii au codificat astfel caracteristicile spectrale în coduri Raman. Spre deosebire de analiza componentelor principale convenționale, care a oferit o separație limitată, abordarea codului Raman a reușit să diferențieze toate cele 20 de tulpini și subvariante investigate.
Originea moleculară a acestor diferențe a fost explorată suplimentar prin corelarea unor benzi Raman specifice cu caracteristicile structurii secundare a ARN-ului, inclusiv conformația spatelui, caracteristicile lanțului de nucleotide, dinamica ribofuranosei, formarea de bucle, lungimea tulpinii și mediile de împerechere a bazelor.
Studiul reprezintă un prim pas spre definirea unui „genom Raman”: o amprentă spectroscopică capabilă să caracterizeze ARN-ul viral în funcție de arhitectura sa moleculară și nu doar pe baza secvenței nucleotidice.
Printre progresele științifice majore se numără:
1. Discriminarea moleculară dincolo de compoziția genetică convențională. Studiul demonstrează că ARN-urile SARS-CoV-2 cu compoziții nucleotidice remarcabil similare pot, totuși, să prezinte amprente Raman substanțial diferite. Aceasta indică faptul că spectroscopia Raman este sensibilă la informațiile structurale codificate în ARN dincolo de simpla abundanță a bazelor.
2. Discriminarea reușită a 20 de variante și subvariante SARS-CoV-2. Codurile Raman au oferit o discriminare clară între toate cele 20 de tulpini investigate, inclusiv multiple subvariante Omicron, în timp ce analiza componentelor principale convenționale a arătat o capacitate de discriminare limitată.
3. Corelarea semnalelor Raman cu structura secundară a ARN-ului. În loc să trateze spectrul Raman ca pe o amprentă statistică pură, studiul identifică markeri moleculare interpretabili fizic asociați cu vibrațiile ribozei, legăturile fosfatice, conformația spatelui ARN-ului și răspunsurile hipercromice sau hipocromice ale bazelor azotate afectate de împerechere și medii structurale secundare.
4. Un potențial nou instrument pentru screening rapid al variantelor. Deoarece abordarea se bazează pe analiza Raman a ARN-ului extras și nu pe secvențierea completă a ARN-ului, aceasta ar putea oferi în cele din urmă o strategie rapidă de screening pentru variantele virale emergente. O astfel de abordare ar fi deosebit de valoroasă în situații de urgență și îngrijire critică, unde obținerea rapidă a informațiilor moleculare poate fi crucială.
5. Spre o nouă generație de diagnostice moleculare. Conceptul extinde spectroscopia Raman de la identificarea chimică convențională spre diagnostice moleculare la scară biologică a informațiilor biologice. Viitoarele dezvoltări ar putea combina markerii Raman interpretabili fizic cu analiza spectrală automatizată, calcule teoretice și inteligență artificială pentru a crea sisteme predictive tot mai puternice.
Descoperirile ar putea contribui la dezvoltarea unor abordări mai rapide și mai accesibile pentru supravegherea virală și diagnosticele moleculare. Deoarece analiza Raman poate caracteriza potențial ARN-ul viral fără a efectua secvențiere completă a ARN-ului, aceasta ar putea permite în cele din urmă screeningul rapid al variantelor emergente atunci când informațiile sunt deosebit de importante, cum ar fi în timpul focarelor, epidemiilor și situațiilor de urgență sau îngrijire critică.
În mod mai general, conceptul de „genom Raman” ar putea deschide un nou domeniu în medicina moleculară și microbiologie, în care starea structurală a acizilor nucleici este investigată direct prin amprentele lor moleculare. Cu dezvoltări tehnologice suplimentare, automatizare și integrare cu inteligența artificială, amprentele moleculare bazate pe Raman ar putea completa secvențierea convențională și ar oferi un strat suplimentar rapid de informații pentru identificarea și monitorizarea patogenilor emergenți.
