奎克

為傳染病孵化的實驗室

曼寧在金邊的國家過敏和傳染病研究所瘧疾和媒介研究實驗室工作，這是美國國家過敏和傳染病研究所（NIAID）與柬埔寨國家寄生蟲學、昆蟲學和瘧疾控制中心數(shù)十年合作的一部分。在過去的幾個月中，他們一直在使用新的測序儀來查明除了登革熱病毒之外，哪些細菌是柬埔寨大量發(fā)燒的原因，機器可以逐一讀出DNA字母。

IDSeq是基于云的開放式源的生物信息學流水線，用于宏基因組測序。用非科學家的話來說，它是計算機代碼包，可以對從樣本中提取的所有遺傳物質(zhì)進行梳理。例如，一根人的血液管，或者被粘上唾液的棉簽。它會將所有那些DNA和RNA雜亂無章的碎片與已知微生物的大量數(shù)據(jù)庫進行匹配，告訴你哪些錯誤在混合中。運行IDSeq只需要擁有一個知道如何使用的音序器和一個互聯(lián)網(wǎng)連接。

IDSeq最初是加州大學舊金山分校生物化學家約瑟夫·德里西實驗室的一項研究項目，在那里17年前，他的團隊建立了識別導致SARS的冠狀病毒的技術(shù)。最近，德力西的實驗室一直在推動臨床宏基因組測序的發(fā)展，開發(fā)了有助于解開在附近醫(yī)院接受治療的患者的醫(yī)學奧秘的測試方法，包括腦侵襲性worm蟲。

2016年當兒科醫(yī)生普莉希拉·陳和她的丈夫——Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格承諾在10年內(nèi)抗擊傳染病投入30億美元時，他們選擇了德里西共同承擔他們的第一筆投資：一個新的6億美元的研究中心，稱為Chan Zuckerberg Biohub。加入Biohub之后不久，德里西帶來了一個龐大的設(shè)計師和工程師團隊，將他實驗室中多年拼湊而成的代碼轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄I(yè)實力的軟件包。在2018年10月，他們向一小群測試用戶進行了IDSeq的軟啟動，而Facebook財富為所有這些數(shù)據(jù)計算奠定了基礎(chǔ)。

為了讓更多科學家（尤其是在資源匱乏的地方）掌握這一技術(shù)，德里西與比爾·蓋茨和梅琳達·蓋茨基金會合作。該基金會的贈款已開始將10個來自南非、孟加拉國和馬達加斯加等國家的研究人員帶到Biohub，以學習如何使用IDSeq。除了培訓外，贈款還為每個國際團隊配備了一個小型音序器，可以帶回他們的家庭實驗室。

宏基因組測序派上用場

柬埔寨金邊的衛(wèi)生官員檢查了從中國香港出發(fā)的游輪上乘客的體溫

曼寧獲得了其中一項贈款，以擴大她在柬埔寨調(diào)查未診斷出的發(fā)燒的工作。去年夏季末，正值柬埔寨歷史上最嚴重的登革熱流行高峰，她與實驗室里的兩名技術(shù)人員一起飛往舊金山，在Biohub接受了為期一周的培訓。到2019年11月，她的團隊已啟用IDSeq，并處理柬埔寨各地現(xiàn)場醫(yī)院發(fā)燒患者的血液樣本。

2020年1月初，德里西帶領(lǐng)Biohub團隊訪問了曼寧的實驗室，并對他們遇到的任何問題進行了故障排除。曼寧回憶說，在旅途中他們討論了新聞報道，當時關(guān)于醫(yī)護人員生病的報道不多，因此他們希望這種情況會很快結(jié)束，并飛回了加利福尼亞，“然后事態(tài)的發(fā)展表明一切美好的愿望都破滅了。”曼寧說。

全球衛(wèi)生專家擔心，如果這種病毒傳播到技術(shù)水平較低的南太平洋鄰國將會發(fā)生什么。當一種新疾病出現(xiàn)時，追蹤其傳播至關(guān)重要。這意味著不僅僅是收集新案件的數(shù)量，收集有關(guān)病毒的遺傳信息可以幫助公共衛(wèi)生官員了解該病毒如何到達其國家，并采取措施減緩其發(fā)展，它還可以幫助研究人員監(jiān)控病毒中可能使診斷測試效率降低的突變。

但是在資源匱乏的環(huán)境中，阻礙識別和控制此類病毒的爆發(fā)并不順暢。以寨卡病毒為例，該病毒在巴西報告第一例之前已經(jīng)在巴西傳播了兩年。研究人員只是在很久以后才發(fā)現(xiàn)這一點，方法是將整個美洲患者的病毒基因組拼湊在一起。

因此，流行病學家有理由相信，新冠肺炎病毒可能會繼續(xù)在馬來西亞、印度尼西亞和柬埔寨等國未被發(fā)現(xiàn)的情況下傳播，這些國家的公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施弱于中國，而且歷來缺乏測序能力。他們擔心，一些未被診斷的感染會悄無聲息地爆發(fā)。

隨著測序儀進入曼寧實驗室，柬埔寨現(xiàn)在可以對患者樣品進行宏基因組測序。1月26日，巴斯德研究所的技術(shù)人員從剛從武漢趕來發(fā)燒的60歲中國男子的鼻子和咽喉拭紙中提取病毒RNA。第二天衛(wèi)生部官員宣布，這些樣本對Covid-19呈陽性反應，成為該國首例。

病毒序列

將同步到公共數(shù)據(jù)庫

近期，曼寧的實驗室收到了幾瓶從患者拭紙中提取的RNA。她的團隊為進行測序做好了準備，將樣品通過他們的新機器運行，并將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀DSeq。然后，他們等待IDSeq的算法篩選所有遺傳密碼塊，然后將每個片斷與GenBank（所有公共可用遺傳序列的集合）進行比較。盡管當時中國的科學家已經(jīng)對導致Covid-19的新冠肺炎病毒進行了測序，并將基因組數(shù)據(jù)保存在GenBank中，但德力西的團隊尚未更新其軟件以搜索數(shù)據(jù)庫的最新版本，他們想讓IDSeq盲測，看看它會變成什么樣。

兩個小時后結(jié)果出現(xiàn)了，電腦屏幕一張熱圖顯示的紅色陰影（表示最多的“讀數(shù)”）是GenBank中樣品與序列之間的匹配，證明是引起SARS的冠狀病毒，幾乎相等數(shù)量的讀段映射顯現(xiàn)是蝙蝠中發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒。曼寧說：“可以說這是一種與SARS密切相關(guān)但尚未鑒定的新型冠狀病毒?！?/p>

大約一周后，IDSeq團隊將其索引更新為GenBank的最新版本。該數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在有將近85000個新的添加項，其中包括從世界各地的患者那里收集的54個Covid-19致冠狀病毒序列。當團隊運行他們的樣本時，該軟件返回了一個明確的答案：大多數(shù)讀取完全與前幾周在武漢出現(xiàn)的病毒相匹配。

這兩個測試共同證明IDSeq可以完成DeRisi所承諾的：檢測已知病原體的傳播并作為新興病原體的預警系統(tǒng)。Biohub還發(fā)布了柬埔寨冠狀病毒案的項目頁面，向公眾提供了該軟件的信息。

“我對此感到興奮?！?德力西說，IDSeq的主要目標是使科學家有能力在自己的國家進行先進的分子診斷，以解決當?shù)貑栴}。但是第二個目標是在資源貧乏地區(qū)擴大宏基因組測序的能力，這樣如果確實發(fā)生了大流行，全球的科學家就可以發(fā)現(xiàn)它。

德力西認為：“證明該技術(shù)不僅適用于擁有許多服務器的發(fā)達國家，還可以在一些臨場應用?！笔褂肐DSeq，再加上增加樣本中病毒物質(zhì)含量的新技術(shù)，曼寧的團隊最終得以查詢在柬埔寨出現(xiàn)的該病毒株的整個基因組。上個月，當他們將其添加到公共數(shù)據(jù)庫中時，科學家們正在使用它來追蹤病毒的傳播和突變方式，它是來自疫情中心附近的低收入國家的唯一序列。

曼寧表示目前她的小組隨時待命，對該國公共衛(wèi)生官員確認的其他病例進行排序。但直到最近，柬埔寨才開始積極測試Covid-19，此前一位前往柬埔寨的日本公民在返回日本后就對該病進行了陽性檢測。據(jù)報道他與40名柬埔寨人接觸，目前正在醫(yī)療隔離中對其進行監(jiān)視。柬埔寨衛(wèi)生部證實，其中一名被診斷出患有Covid-19。

隨著確診病例的到來，曼寧希望向GenBank貢獻更多的病毒序列。她說，團隊目前正在對一個周末確認的病例進行測序。這個數(shù)字化冠狀病毒庫不僅可以幫助流行病學家追蹤其傳播和演變，而且可以幫助確保在柬埔寨開發(fā)的任何潛在療法或疫苗都能有效抵抗那里傳播的毒株：“這些序列讓我們幾乎實時地看到了這種病毒的突變速度，并為制定對策提供了路線圖?！钡撬膱F隊將受到新測序儀吞吐量的限制，該測序儀一次只能運行一個樣品。如果柬埔寨的案件數(shù)量激增，則積壓的案件將迅速增加。盡管如此，至少柬埔寨出現(xiàn)在了流行病監(jiān)控的地圖上，任何排序總比沒有好。