Программное обеспечение биоинформационного характера – тема разработок российского ученого Павла Певзнера и коллектива, работающего под его руководством. Получив правительственный грант, он приступил к разработкам в сфере бактериального генома, для чего специально создал лабораторию в Петербурге.
Корреспондент интернет-ресурса «Rosnauka.ru» посетил СПбГУ и его подразделение -центр алгоритмической биологии , где получил исчерпывающую информацию о необходимости изучения генетического строения микрофлоры в окружающем нас мире.
Что такое микробиота
Человек, как биологический объект, представляет собой симбиоз множества бактерий, который расположились не только на коже и волосах. Их множество во рту, внутренних органах, в носу, ушах и т.д. Такая совокупность имеет особое название – микробиота. От ее характера зависит здоровье, полноценность функций, пищеварение, защитные реакции организма.
В числе бактерий, населяющих человеческий организм, есть патогенные, условно-патогенные и непатогенные микроорганизмы. Человек до тех пор здоров, пока соотношение таких «соседей» постоянно, со сдвигом в сторону непатогенных. Если же, по каким-то причинам патогенные формы начинают превалировать, то сбои в здоровье неизбежны.
Кроме того, «полезные» бактерии также способны приобретать патогенность. Например, кишечная палочка – E. Coli, которая необходима для процессов пищеварения, мутируя, приобретает патогенные свойства и вызывает воспаления кишечника. Для этого чтобы этого не допустить, необходимо выяснить факторы риска для такого перерождения.
Как биоинформатика может быть полезной медицине
Изучить строение ДНК и ее генома можно с помощью секвенирования. Поскольку чтение генома всей ДНК – перспектива будущего, молекулу дробят на короткие отрезки и пытаются «прочесть» каждый из них. Нуклеотидная пара – микроучасток цепочки ДНК, которая является источником генетической информации. На особенности изучения механизмов их соединения направлены специальныебиоинформатические программы. Благодаря им, медицина и человечество в целом получит возможность лечить не симптомы болезни, а ее причины.
Примеры таких подходов истории уже известны. Так, в 2011 году была побеждена вспышка кишечной инфекции, этиологическим фактором которой был мутировавший штамм E. Coli.
Роль бактерий в развитии рака и аутизма
По заключениям ученых, развитие аутизма не изолировано от мутаций в микробиоте. Дети с таким заболеванием имеют болезни желудочно-кишечного тракта, являются носителями патогенной кишечной микрофлоры. Под действием токсинов, вырабатываемых микроорганизмами, мозг испытывает нагрузку, вследствие чего меняет «программу» своей работы. Однако не все так однозначно. По мнению другой группы ученых, именно сбои в мозговой деятельности ведут в перерождению условно патогенных микроорганизмов в патогенные. Поэтому так важно определить истинные генетические причины заболевания, наметить пути лечения.
Представлены также работы по установлению причинно-следственной связи между изменениями в структуре цепочки ДНК и развитием раковых опухолей. Показано, что в геноме атипичных клеток имеется идентичный микроорганизм. Работы в этом направлении продолжаются, ответ на вопрос «Что было первичным?» еще не найден.
Можно ли заразиться ожирением
Человечество всегда интересовалось природой ожирения. По результатам опытов на мышах, опубликованных вNature, была продемонстрирована возможность превращения худых мышей в толстых. Условием эксперимента было поедание ими экскрементов толстых собратьев, то есть попадание в их организм соответствующей микробиоты.
Некоторые ученые «пошли дальше». Они попытались изменить свой рацион питания так, чтобы подвергнуть коррекции собственный микробный пейзаж. Результаты были ошеломительными: экспериментаторы начали худеть.
О бактериальных отпечатках
Люди не только отличаются друг от друга внешне. Состав их микробиоты настолько разнится, что даже однояйцевые близнецы не могут похвастаться идентичными характеристиками. На вооружение такую особенность могут взять не только эксперты-криминалисты. Идентификация личности по его микробиоте – перспективное направление теоретический и практической медицины.
Изучение микробиоты – залог грамотной диагностики
О пользе и вреде антибиотикотерапии сказано много. Окончательно поставить точку в этом споре позволит полное изучение микробиоты человека до развития болезни и в ее разгар. Для этого необходимо выделение государственного финансирования.
Певзнер и его работы
Получить ощутимые результаты по разработке программных продуктов изучения метагеномов позволит работа лаборатории алгоритмической биологии. По мнению Певзнера, полученный продукт – геномный ассемблер – единственный в своем роде механизм в России. Получение его стало возможным благодаря правительственному гранду и личным стараниям сотрудников. Перспектива работы лаборатории предусматривает фокусирование внимания на проектах геномики, антибиотиковоздействиями, иммуноинформатики. Созданная программа SPAdes известна на мировом уровне и признана передовыми учеными в качестве профильного софта.
В чем преимущество
Значительным облегчением в изучении материала ДНК является возможность работы с одной клеткой. В то время, как «вырастить» материал в искусственных условиях представляет проблему, по предложенным методикам единичная клетка может дать всю необходимую информацию.
Развитие ассемблера – не единственное направление работы. Разрабатываются утилиты, способные помочь в достижении различных целей, например, синтеза rnaSPAdes, dipSPAdes, metaSPAdes для метагеномов.Уделяется внимание развитию методики сиквенса ДНК в реальном времени.
Присутствие биоинформатики в медицине позволит найти целенаправленные пути лечения болезней и расшифровать важные законы генетики.