Родовой строй: программа найдет общие мутации у возбудителей инфекций
В Университете ИТМО создали компьютерную программу, которая автоматически выявляет идентичные мутации в разных штаммах бактерий одного вида. Разработка упростит изучение эволюции болезнетворных бактерий, которые непрерывно меняют свои свойства, чтобы обмануть иммунитет хозяина и антибиотики. С помощью программы специалисты смогут найти новые способы борьбы с микробами и выбирать наиболее эффективные препараты, чтобы противостоять патогенам.
Семейные узы
Ученые Университета ИТМО вместе с коллегами из Института наук и технологий (Австрия) создали компьютерную программу, которая автоматически анализирует геномы различных штаммов бактерий и находит в них одинаковые мутации.
— Мы решили разработать алгоритм, который будет сравнивать геномы бактерий и находить в них параллельные эволюционные изменения, — рассказал главный автор исследования, аспирант факультета информационных технологий и программирования ИТМО Алексей Забелкин.
Так называют идентичные изменения в наборе и последовательности генов организмов одного вида, произошедшие независимо друг от друга. Если единичная мутация может быть случайностью, то не связанные между собой параллельные вариации отражают закономерные эволюционные механизмы адаптации. Их понимание позволит ученым найти новые, более эффективные способы противостоять инфекционным заболеваниям, которые вызывают бактерии.
Программа получила название PaReBrick. Исходными данными для нее служат набор геномных последовательностей разных штаммов микроорганизма и его филогенетическое дерево, которое отражает эволюционные взаимосвязи между этими штаммами. На первом этапе программа регистрирует изменения в геномах разных вариантов бактерии, а затем находит их на филогенетическом дереве. Если оказывается, что вариации генов произошли в разных частях этого дерева, то программа считает их параллельными. Кроме того, PaReBrick может оценить, как сильно эти вариации отдалены друг от друга и как часто они происходят.
Ранее подобные эволюционные события ученые могли обнаружить только с помощью большого количества лабораторных экспериментов. Специалистам Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН удалось аналитическими методами обнаружить повторяющиеся антигенные вариации, которые помогают обходить иммунный ответ, в разных штаммах стрептококка. Эта работа была очень трудоемкой.
Эффективность своей программы ученые испытали в ходе анализа эволюционных изменений в 200 штаммах стрептококка. В будущем разработку можно использовать для анализа эволюции любых бактерий. В планах разработчиков расширить функционал программы, чтобы выявлять изменения генома, которые привели к тому или иному свойству бактерий. В первую очередь такой подход будут применять для изучения бактерий, вызывающих у человека болезни, что позволит найти причины их болезнетворности.
Перехитрить бактерию
Самое неприятное в изменчивости бактерий — то, что они очень быстро вырабатывают устойчивость к антибактериальным препаратам, отметил доцент кафедры инфекционных болезней РУДН Сергей Вознесенский.
— Поэтому более глубокое понимание процессов изменчивости микроорганизмов может помочь нам преодолеть их резистентность к терапии, — рассчитывает эксперт.
Новая программа позволит молекулярными биологами лучше понять механизмы адаптации бактерий к внешним условиям, рассчитывает и заведующая лабораторией «Математическая биология и биоинформатика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Мария Самсонова.
— Использование и развитие современных подходов в изучении геномов позволит ученым в будущем самим моделировать процесс эволюционных изменений, — добавила научный сотрудник кафедры иммунохимии УрФУ Светлана Дерябина.
Как пояснила эксперт, с одной стороны, это даст возможность научиться потенциально определять патогенность организмов и, возможно, спектр восприимчивых хозяев, а с другой — искусственно создавать «дизайнерские» бактерии и вирусы, которые будут использоваться в промышленности для получения и переработки материалов.
