Математика желудка: ученые поняли, как посчитать полезные бактерии
Практически всегда вместе с антибиотиками врачи назначают и препараты от дисбактериоза. Но пока это происходит вслепую: доступных способов определить состав сообщества бактерий в кишечнике человека еще не существует. Однако бедность микробиома может привести к смерти пациента. Разнообразие сообщества бактерий в кишечнике — это критический параметр, который нужно уметь определять. Петербургские ученые придумали, как оценить здоровье микробиома в целом, не имея возможности изучить каждую бактерию в отдельности.
Считается, что у человека в кишечнике живет порядка тысячи видов бактерий: у кого-то — больше, у кого-то —- меньше. Известны случаи, когда при раке крови грозная болезнь отступала, но человек всё же погибал от побочных эффектов: уж слишком много полезных бактерий оказывались жертвами химиотерапии. И подобное, хотя и в меньших масштабах, происходит каждый раз, когда мы глотаем антибиотики: полезные бактерии гибнут. Чтобы научиться восстанавливать это сообщество после внешнего воздействия — например, после курса антибиотиков, — необходимы надежные методы диагностики. Однако на этом пути ученые встречают барьер.
— Основную массу обитающих на Земле микроорганизмов мы не знаем, потому что не можем их вырастить в лабораторных условиях, — поясняет замруководителя Центра алгоритмической биотехнологии Института трансляционной биомедицины СПбГУ, профессор Алла Лапидус. — Из числа бактерий, обитающих в кишечнике человека, известна примерно половина.
По словам Павла Певзнера, руководителя Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ, профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего (США), Медицинского института Говарда Хьюза (США) и директора Центра вычислительной масс-спектрометрии Национального института здоровья США, здоровым можно назвать разнообразный микробиом.
— Разнообразие и сложность микробиома каждого из нас постоянно меняется, — говорит Павел Певзнер. — После того как вы применяете антибиотик, разнообразие уменьшается, потому что антибиотик убивает много видов бактерий. Химиотерапия также сильно воздействует на микробиом: иногда он становится настолько примитивным, что один или несколько видов бактерий занимают всё пространство и человек может не выжить. Разнообразие микробиома — это критический параметр, который нужно уметь оценивать.
Ученые пришли к идее анализировать сложность микробиома человека в целом, не имея возможности изучить каждую бактерию в отдельности. Перед биоинформатиками была поставлена задача, которая, с одной стороны, важна для изучения метагеномов (совокупность геномов, например, в кишечнике — это микробиом), а с другой — разрешима с вычислительной точки зрения.
—- Мы вместе с моим сотрудником Антоном Банкевичем нашли способ рассчитать сложность микробиома, — рассказывает Павел Певзнер. — Мы разработали математическую программу, которая позволяет получить такую информацию о каждом конкретном человеке и сказать, является ли микробиом здоровым или больным, и подсказать доктору, что нужно сделать для его восстановления, например, после курса антибиотиков.
Сотрудник Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ Антон Банкевич отметил важность появления технологии чтения (секвенирования) геномов, способной генерировать длинные и точные геномные последовательности любого живого организма, и бактерий микробиома в том числе.
— Алгоритм создан на пике интереса к этой технологии, — подчеркнул эксперт. — Ее наличие критично для применения разработанного алгоритма, который вычисляет значение математической формулы, подставляя значения, полученные с помощью реальных данных, и, при необходимости, корректируя результат с учетом особенностей реальных данных, не учтенных в формуле. Алгоритм реализован в виде программы и находится в свободном доступе.
Публикация алгоритма в международном научном журнале Cell Systems закрепляет лидерство петербургских биоинформатиков в этой области научного знания. Но потребуется еще несколько лет, чтобы вместе с докторами научиться использовать большие массивы данных. До того момента, когда можно будет проанализировать микробиом конкретного человека пройдет 3–4 года.
Для развития науки новый алгоритм очень интересен, уверена заведующая научно-исследовательской лабораторией внутрибольничных инфекций НМИЦ им. В.А. Алмазова, доктор медицинских наук Елена Баранцевич. Она отметила, что в современную эпоху происходит быстрая смена технологий, доступных ученым.
— Раньше мы могли читать только короткие фрагменты ДНК и оценивать микробиом по ним. А сейчас появилась возможность прочитывать длинные фрагменты ДНК, что расширило наши возможности, но одновременно привело к необходимости создания адекватных методов оценки полученных данных.
По ее мнению, предложенный математический алгоритм может быть очень перспективным.
