ConvMut: a Web tool to analyze viral convergent mutations along phylogenies in SARS-CoV-2

Since ancient times, humans have coexisted with viruses, which have significantly shaped human history and even left imprints on the human genome. The development of vaccines and antiviral therapies to combat viral infections is a relatively recent advancement. Among the many complexities, a crucial focus for scientists is the presence of convergent evolution within viral species. Converging mutations occur independently across different variants of the virus due to shared environmental pressures, suggesting a likely positive impact of such mutations on viral fitness. This work introduces ConvMut, a tool designed to analyze convergence evolution in the SARS-CoV-2 virus. A pipeline specifically designed to automate data extraction and transformation was developed after discussions with experts. The final results are accessible through a web application. ConvMut is containerized using Docker, and performance testing has been carried out to verify its functionality and reliability. It is also easily adaptable to studying other viruses. ConvMut uniqueness is to provide a compact representation of highly redundant evolutionary events: unlike other visual tools, which render all of the items and highlight a subset of them, ConvMut exclusively renders the necessary objects. By analyzing convergent evolution in real-time, ConvMut aims to facilitate the design of antiviral drugs and vaccines with durable efficacy, minimizing R&D failures.

L'essere umano convive con i virus da milioni di anni, al punto che questi hanno influenzato profondamente la sua storia, lasciando persino tracce nel suo genoma. Solo in tempi relativamente recenti l'uomo è stato un grado di agire attivamente per combattere le infezioni virali, attraverso lo sviluppo di vaccini e terapie specifici. Tra i numerosi e complessi fenomeni che interessano gli scienziati figurano le mutazioni convergenti: esse si manifestano in maniera indipendente in diverse varianti di un virus a causa di simili pressioni ambientali, suggerendo un probabile impatto positivo su trasmissibilità e replicazione. Questo lavoro introduce ConvMut, uno strumento sviluppato per analizzare e studiare il fenomeno della mutazione convergente nel SARS-CoV-2. In seguito a diversi confronti con esperti del settore, una pipeline bioinformatica è stata appositamente definita per automatizzare l'estrazione e la trasformazione di dati genomici. ConvMut è incapsulato in un container Docker e reso disponibile come applicazione web, testata per verificarne la funzionalità e l'affidabilità prestativa. La sua semplicità di utilizzo lo rende facilmente adattabile anche allo studio di altri tipi di virus. ConvMut si discosta dagli altri strumenti attualmente disponibili per le sue rappresentazioni compatte di eventi evolutivi ad alta ridondanza: a differenza di altri strumenti che visualizzano tutti gli oggetti e ne evidenziano un sottoinsieme, ConvMut visualizza solo quelli strettamente necessari. L'obiettivo di ConvMut, tramite l'analisi real-time dell'evoluzione convergente, è quello di accelerare la ricerca in ambito virologico, assistendo la comunità scientifica nello sviluppo farmaci antivirali e di vaccini efficaci e duraturi.