Для анализа бактериальных геномов ученые ИТМО разработали новый алгоритм. Метод позволяет менее чем за минуту автоматически распознать в геномах изменения, ответственные за эволюцию бактерий, в том числе вызывающих заболевания человека. Инструмент упростит изучение эволюционных механизмов бактериальных геномов. Он уже был протестирован на штаммах стрептококка — возбудителя пневмонии — и кишечных палочках.
Сравнительная геномика позволяет изучать историю происхождения геномов живых существ, их изменчивость, чтобы выявить эволюционные сценарии и реализующие их молекулярные механизмы
Разработанный биоинформатиками ИТМО и сотрудниками Института науки и технологии в Австрии алгоритм PaReBrick позволяет автоматически идентифицировать параллельные перестройки в бактериальных популяциях. Сперва инструмент изучает коллекцию штаммов, представленных в виде последовательности общих блоков в геномах различных живых организмов и их филогенетическое дерево, которое демонстрирует эволюционные взаимосвязи между ними. Затем он определяет перестройки в геноме и визуализирует информацию на филогенетическом дереве отображающем нужный признак, например, наличие определенного гена.
Алгоритм был протестирован на наборе данных, включающем порядка 200 штаммов стрептококка — бактерии, вызывающей пневмонию.
По словам главного автора исследования, аспиранта факультета информационных технологий и программирования ИТМО Алексея Забелкина, толчком к проекту стала работа коллег ИППИ РАН, которые описали ранее неизвестный эволюционный механизм антигенной вариации, позволяющий патогену оставаться невидимым для иммунной системы человека. Сравнивая геномы разных штаммов стрептококка, они обнаружили, что одно и то же эволюционное событие (изменение порядка генов и их фрагментов в геноме) происходит в разных штаммах независимо, существенно меняя свойства этого патогена. Но обычно подобные исследования проводятся вручную и занимают много времени, теперь же метод ученых ИТМО поможет автоматизировать этот процесс.
«Наш метод умеет анализировать филогенетическое дерево, построенное для бактериальных штаммов, изучать схожие участки в геномах, автоматически находить нужные нам признаки и раскрашивать штаммы на филогенетическом дереве в определенный цвет в зависимости от состояния признака (например, была инверсия или нет). Это визуальное отображение информации о геноме в виде графов», — поясняет Алексей.
Предложенный учеными метод универсален и может быть использован для анализа различных бактериальных штаммов стрептококка и других бактерий.
«Такой систематический анализ с точки зрения биоинформатики, построения деревьев и изучения эволюции последовательностей большого количества штаммов мало кто делал. Обычно люди находят подобные явления “в пробирке”. Допустим, биолог обнаружил какие-то закономерности в одном определенном штамме и потом их описал. Наш проект решает эту проблему, анализируя данные множества штаммов одного вида и сравнивая их», — заключает исследователь.
Алгоритм может использоваться в медицине, генной инженерии, сельскохозяйственных и фундаментальных биологических исследованиях. Например, изучение эволюционных механизмов бактерий позволяет узнать потенциальные причины их устойчивости к антибиотикам и их стратегии эволюции — все это может существенно упростить работу врачей, биоинформатиков, биологов.
