Il coronavirus della SARS-2 rappresenta indubbiamente una minaccia per la salute umana e un elemento di disgregazione sociale ma nello stesso tempo anche l'opportunità per comprendere le dinamiche evolutive e le caratteristiche di un virus nuovo. Grazie al rapido accumulo di dati di sequenza e di struttura si prospetta l'opportunità di acquisire nuove conoscenze indispensabili per mettere a punto strategie terapeutiche o preventive in grado di contenere questa pandemia ma ancora di più di fronteggiare le, purtroppo probabili, pandemie future. Tutti i virus devono adattarsi continuativamente alle caratteristiche mutevoli dell'ambiente in cui si vengono a trovare, per questo motivo evolvono in modo costante attraverso mutazioni del loro genoma. La maggior parte delle mutazioni del virus SARS-CoV-2 non ha avuto un impatto significativo, ma alcune di queste sembrano invece conferire al virus stesso una maggiore trasmissibilità e patogenicità con forme più severe di malattia che potrebbero anche sfuggire alla risposta immunitaria. In questo progetto, come prima linea di ricerca, proponiamo un'analisi completa sulla distribuzione delle mutazioni più frequenti riscontrate all'interno dell'intero proteoma delle varianti del virus SARS-CoV-2 attraverso l'utilizzo di una pipeline di programmi opportunatamente preparati e come seconda linea di ricerca invece, proponiamo un'analisi dettagliata in grado di recuperare dalla PDB tutte le strutture di complessi tra la proteina Spike di SARS-CoV-2 e anticorpi monoclonali le quali verranno filtrate per identificare regioni di interazioni tra la proteina Spike e i diversi tipi di anticorpi. I risultati ottenuti possono contribuire a progettare anticorpi efficaci anche e soprattutto sulla base della comparsa delle diverse varianti di Spike.
Al momento attuale non risulta che siano stati pubblicati nella letteratura scientifica molti lavori di analisi sistematica di mutazioni da tutte le proteine da SARS-CoV-2 utilizzando una base di dati così ampia come in questo progetto né di scrutinio sistematico delle interazioni Spike-anticorpo. Pertanto, questa ricerca riveste un carattere di novità almeno per la parte di screening sistematico e correlazione funzionale.
L'analisi delle varianti più frequenti delle proteine darà un'indicazione precisa della mutabilità delle varie proteine e potrà suggerire il ruolo funzionale per quelle proteine per le quali non è ancora del tutto noto. Particolare attenzione sarà data allo studio delle varianti di Spike e alle possibili conseguenze per il riconoscimento delle componenti cellulari come TMPRSS2, Furina, ACE2. Oltre a ciò, questo studio sarà particolarmente interessante per quelle proteine ritenute bersagli promettenti di farmaci antivirali come la RNA polimerasi RNA-dipendente o le proteasi che processano la poliproteina virale. Infatti, si potranno identificare le porzioni delle proteine intrinsecamente più o meno soggette a mutazioni e verificare il possibile impatto sulla sensibilità ai farmaci. Le stesse analisi potranno suggerire quelle proteine che posseggono porzioni particolarmente conservate e che possono costituire potenziali bersagli di vaccini alternativi a quelli diretti contro la Spike.
Analogamente, la mappatura delle zone della Spike bersaglio degli anticorpi monoclonali indicherà i siti più suscettibili di generare risposta immunitaria o comunque più esposti all¿azione di anticorpi specifici. Informazione di questo tipo può avere diverse valenze. Innanzitutto, può dare informazioni sulle caratteristiche strutturali delle zone della Spike più suscettibili di legare anticorpi specifici. Questo potrà dare indicazioni utili allo sviluppo di vaccini ancora più efficaci e sicuri di quelli attualmente disponibili. Ugualmente potrà dare indicazioni utili allo sviluppo di nuovi anticorpi più selettivi ed efficaci attraverso la progettazione di anse di interazione più specifiche. Inoltre, lo studio sistematico delle interazioni anticorpo-Spike insieme all¿analisi della mutabilità di questa proteina potrà suggerire una strategia per sviluppare anticorpi efficaci anche contro un ampio repertorio di varianti virali. Le stesse conoscenze potranno contribuire a mettere a punto sistemi in grado di prevedere "ab-initi" quali varianti hanno la maggiore potenzialità di sfuggire all'azione dei vaccini o degli anticorpi. In prospettiva queste informazioni potranno contribuire a porre le basi per la progettazione di un vaccino "universale", valido per la maggior parte delle varianti attuali e future.
Dal punto di vista metodologico, la ricerca ha prodotto un protocollo software in grado di analizzare in modo semiautomatico la distribuzione delle varianti delle proteine da SARS-CoV-2. Questo protocollo utilizza script di shell ma soprattutto programmi scritti in linguaggio R. I programmi saranno sottoposti a una continua revisione ed estensione per adattarli alle esigenze delle nuove analisi che via via si prospetteranno. L'esecuzione di questi programmi su quantità di dati notevoli richiede l'uso di workstation personali ma dotate di processori di ultima generazione e schede con GPU (processori grafici) e unità di memoria di massa di capienza sufficiente. Per i calcoli che eccederanno queste capacità si potrà accedere ai servizi di supercalcolo di TeraStat2, forniti dal Dipartimento di statistica.