Санкт-Петербургский государственный университет

St. Petersburg University

Алгоритмисты Санкт-Петербургского государственного университета выпустили обновленную версию знаменитого геномного сборщика SPAdes — одного из самых узнаваемых российских брендов в мире биоинформатики. Программа дополнена двумя новыми режимами: один позволяет в разы улучшить сборку изолированных фрагментов генома (плазмид), второй гарантирует высокую точность результатов при сборке метагенома. Уникальный продукт разработали сотрудники лаборатории «Центр алгоритмической биотехнологии» Института трансляционной биомедицины СПбГУ под руководством Павла Певзнера.

Работа над геномным ассемблером SPAdes ведется уже на протяжении 6 лет. Этот продукт успел хорошо себя зарекомендовать. По данным Scopus, научная статья, посвященная проекту SPAdes (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3342519), имеет более 400 цитирований.

Главная цель ученых СПбГУ заключается в усовершенствовании технологий сборки генома. Однако существуют и более узкие задачи, которые требуют постоянных обновлений программы. Два таких обновления будут представлены 3 июня на конференции Sequencing, Finishing and Analysis in the Future (SFAF 2016) в Санта-Фе (штат Нью-Мексико, США).

 

PlasmidSPAdes

Так, новый режим ассемблера plasmidSPAdes нацелен на сборку не всего генома, а его изолированных фрагментов — плазмид. В природе именно на плазмидах обычно располагаются гены, повышающие устойчивость бактерий к неблагоприятным внешним факторам или, например, к антибиотикам.

«Если мы имеем два штамма бактерии, один из которых устойчив к антибиотикам, а другой нет, необходимо понять, в чем причина этого различия, — поясняет доцент СПбГУ Антон Коробейников. — Чтобы выяснить, почему и в какой момент произошла мутация, нужно собрать оба генома и сравнить их. Однако если мы знаем, что интересующий нас ген (тот, что отвечает за устойчивость к антибиотикам) располагается именно на плазмидах, мы можем восстановить не весь геном, а только эти конкретные фрагменты. Причем с максимально возможной точностью. Эту информацию затем смогут использовать другие ученые для создания новых лекарств, а также для совершенствования тактик борьбы с заболеваниями, вызываемыми микроорганизмами».

Сборка плазмид является особенно актуальной задачей для биологов. Она связана с исследованием бактерий-симбионтов, которые живут на корнях растений и регулируют процесс усвоения азота из окружающей среды. Сегодня ученым необходимо выяснить, какие гены отвечают за этот механизм и в каких фрагментах генома они содержатся. PlasmidSPAdes позволит собрать такие фрагменты с максимальной точностью, а полученные в результате сборки знания помогут ученым в разработке новых удобрений, механизмов переработки и очистки и даже в создании новых видов биотоплива.

В отличие от своих аналогов plasmidSPAdes уникален тем, что с его помощью осуществлять сборку генома и поиск плазмид можно одновременно, а не последовательно — сначала собирать геном, а потом искать в нем плазмиды. Такой метод обеспечивает наиболее точные результаты.

 

MetaSPAdes

Второй обновленный режим был создан специально для сборки метагенома — совокупности геномов того или иного сообщества микроорганизмов. Одна из типичных сложностей в изучении генома бактерии состоит в том, что для его сборки необходимо выделить бактерию из сообщества и размножить ее в лабораторных условиях. Сегодня человечество умеет выращивать в пробирке лишь 1 % всех существующих бактерий. Поэтому, даже выделив нужную бактерию, размножить ее геномный материал ученые зачастую не могут. Однако существует альтернативный метод — восстановить всю совокупность геномов целиком, а затем с помощью алгоритмов выделить из нее отдельные геномы. Обновление metaSPAdes идентифицирует исходные данные как метагеном и, фиксируя общие участки генома, принадлежащие близкородственным организмам, может разделить их. Таким образом, с помощью данного режима можно получить гораздо более точные результаты, чем те, которые выдают его мировые аналоги.

Изучение метагенома — одно из передовых направлений в современной биологии. «Например, чтобы создать новый антибиотик, нужно провести миллиард экспериментов, которые позволят найти подходящее активное вещество, воздействующие на вредоносный микроорганизм. На это могут уйти долгие годы, — рассказывает Антон Коробейников. — А можно поступить иначе — просто „подглядеть“ за тем, как микроорганизмы вырабатывают активные вещества в природе. Ведь для них это основной механизм борьбы за выживание, и он постоянно совершенствуется». Для этого, по словам ученого, можно взять пробу (например, почвы), которая содержит сообщество бактерий, установить наличие в ней активного вещества и идентифицировать его. Далее нужно определить, какая бактерия выделяет данное вещество, а затем понять, каким образом ее можно заставить это делать. Именно так осенью 2015 года был открыт принципиально новый антибиотик — теиксобактин.

Еще один пример метагенома — это микробиота человека (совокупность микроорганизмов, населяющих людей). Именно она отвечает за здоровье человека, поэтому сегодня ее изучению уделяется особенное внимание. Информацию об изменениях в составе микробиоты можно успешно использовать для ранней диагностики заболеваний, когда внешние симптомы еще не проявились. В данном случае сборка и сравнение метагеномов становится первоочередной задачей. Теперь решить ее стало возможно благодаря обновлению metaSPAdes, которое позволяет получить максимально точный результат.

Сферы применения новых режимов сборщика SPAdes очень обширны — это и биология, и медицина, и фармацевтика. Продукт, разработанный учеными СПбГУ, поможет созданию новых видов удобрений, выведению новых сортов и видов растений, а также разработке лекарств и активных веществ в более короткие сроки.

 

 

Ответственный за содержание: Елена Александровна Осиновская, редактор сайта, 8 (812) 3280162, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.