Биоинформатика – медицине

Алексей Шабельский, Роснаука

Коллективу российских ученых под руководством профессора Павла Певзнера удалось стать мировыми лидерами, определяющими тенденции разработки биоинформатического софта. В рамках работы по правительственному мегагранту Певзнер, будучи штатным сотрудником американского университета, создал в Петербурге лабораторию по исследованию свойств бактериального генома.

Сотрудники центра алгоритмической биологии СПбГУ рассказали корреспонденту «Rosnauka.ru», почему так важно изучать генетический состав окружающих нас бактерий и какой вклад внесли в эти исследования петербургские ученые.

С момента нашего рождения мы сосуществуем с огромным количеством микроорганизмов, которые живут у нас везде: на коже, во рту и внутренних органах. Бактериальных клеток в человеческом организме в разы больше, чем его собственных. Совокупность микроорганизмов человека составляет микробиоту, которая во многом определяет его жизнедеятельность. Без участия бактерий ни пищеварение, ни иммунитет, ни многие другие процессы не будут работать должным образом. Преобладающее большинство наших неразлучных соседей полезны организму, хотя даже у здорового человека живут и болезнетворные представители микрофлоры. В соотношении с полезными бактериями их мало, и в норме эта пропорция должна оставаться постоянной. Нарушение этого баланса приводит к серьезным заболеваниям.

Однако даже полезные бактерии способны при определенных условиях перерождаться в патогенные штаммы. Кишечная палочка (Esherichia coli), без которой мы не можем переваривать пищу, способна в результате мутаций образовывать болезнетворные формы, губительные для человека. Такое превращение происходит из-за спонтанных изменений в бактериальном геноме. Если их зафиксировать и понять, от чего они происходят, то можно бороться с патогенным перерождением микрофлоры. Выяснив особенности работы генома таких модифицировавшихся бактерий, можно направленно нарушить его работу и вызвать гибель болезнетворных микроорганизмов или, по крайней мере, прервать процесс их размножения.

Любые геномные исследования начинаются с определения первичной структуры геномной ДНК с помощью секвенирования. Это – одна из важнейших задач биоинформатики. Сегодняшние технологии не могут прочитать всю молекулу ДНК от начала до конца – для них она слишком длинная. Поэтому ученым приходится действовать так: выделив из клетки ДНК, они дробят ее на множество коротких отрезков длиной в 200-300 нуклеотидов, а затем расшифровывают в них последовательности нуклеотидных пар. Далее перед исследователями возникает вопрос: как их сложить правильно, чтобы восстановить исходную молекулу ДНК, которая содержит десятки миллионов нуклеотидов. Такая задача решается с помощью специальных биоинформатических программ.

Достижения современной биоинформатики позволяют проводить быстрые и точные геномные анализы микробиоты. Сегодня этим начинают пользоваться передовые медклиники, и в мировой практике это становится нормой. Важная задача ученых-бионформатиков – максимально облегчить труд врача, создать для него эффективные, но при этом максимально простые программы. Пока еще доктора только начинают развиваться в этой сфере. Тем не менее, к сегодняшнему моменту есть уже несколько громких историй успеха применения достижений биоинформатики в медицине.

Использование биоинформатического подхода позволило в 2011 году европейским медикам победить вспышку заболеваний со смертельными исходами, вызванных редким мутагенным штаммом кишечной палочки. Оказалось, что эта разновидность бактерии не восприимчива к действию известных на тот момент антибиотиков. Специалистам было необходимо быстро понять, чем лечить болезнь, вызванную переродившейся микрофлорой. Для этого нужно знать, что изменилось в геноме палочки и почему она стала патогенной. Сиквенсные геномные манипуляции позволили ответить на этот вопрос за две недели. Из патогенной Esherihia coli извлекли ДНК, определили ее первичную структуру и методами сравнительного анализа выявили изменения ее генома. На основании полученных данных были предложены антибиотики, эффективные для лечения. Весь этот процесс занял у специалистов около трех недель, хотя немногим ранее на это потребовалось бы от двух до трех месяцев.

Совсем недавно ученые обнаружили неожиданную связь такого заболевания, как аутизм, с составом микробиоты человеческого организма. Известно, что практически у всех аутичных детей есть проблемы с желудком и пищеварением. Оказалось, что их микробиота очень сильно отличается от микробиоты здорового человека – там существенно меньше доброкачественных бактерий и в больших количествах присутствуют яркие представители патогенной флоры. Сейчас идут большие дискуссии по поводу того, что же первично: повышенное количество болезнетворных микроорганизмов, вырабатывающих такое количество токсинов, которое попадает в мозг и меняют программу его работы? Или наоборот – нарушение функционирования мозга вызывает изменения в организме, и в нем становится больше болезнетворных бактерий? Это очень важно понять: если окажется, что аутизм происходит из-за большого количества токсинов, то, восстановив нормальный состав микробиоты в детском организме, ученые смогут лечить этот недуг.

Сегодня однозначно установлено, что разного рода заболевания ведут к изменению микробиоты человека. Есть серьезные исследования, которые показали, что в геномной ДНК человека, выделенной из клеток, полученных биопсией раковой опухоли прямой кишки, всегда присутствует один и тот же микроорганизм. Возникает аналогичный вопрос: что первично − образование опухоли или заселение в клетки этого микроба? Ученые пока не могут дать ответ на этот вопрос.

Самая первая программа по изучению микробиоты человека была начата в Европе, и одним из первых заболеваний, которое стали изучать ученые, стало ожирение. Пару лет назад в журнале Nature вышла статья, в которой был описан потрясающий эксперимент. Он выглядел так. Жили два близнеца, один худой, а другой полный. У обоих взяли образцы микробиоты. (Это безболезненный, простой и дешевый метод анализа. Именно поэтому сейчас существует большой интерес к этому вопросу: если найти связь между составом микробиоты и заболеванием, то проще взять анализ кала, чем, например, пункцию. В перспективе это должно стать прекрасным способом дешевой и безболезненной диагностики.) После чего накормили этой микробиотой идентичных мышей. Те мыши, которые получили микроорганизмы от худого близнеца, оставались в прежней форме или худели, а те, кому достались бактерии от толстого родственника, с течением времени становились толстыми. Затем ученые пошли еще дальше: взяли толстую мышь и посадили ее в клетку с худыми собратьями. Известно, что у грызунов в пищу может попадать кал соседа, поэтому микробиота толстяка-мыши рано или поздно окажется в организме соседей. В результате через некоторое время все мыши в клетке стали толстыми. Получилось, что они буквально «заразились» ожирением. Конечно на людях из-за этического аспекта такие эксперименты не проводили, но любознательный читатель может найти большое количество статей, в которых ученые-энтузиасты сами на себе ставят подобные эксперименты. Они меняли свое питание так, чтобы изменился состав их микробиоты. Полученные результаты превзошли все самые смелые ожидания: экспериментаторам удавалось сильно похудеть.

Совсем свежие исследования говорят о том, что набор микробиоты у каждого человека индивидуален. Он будет отличаться по композиции: это могут быть одни и те же микроорганизмы, но в разных пропорциях. В этом году вышла статья, в которой впервые четко показано, что человека можно идентифицировать по его микробиоте. Оказалось, что даже у однояйцевых близнецов микробиота индивидуальна. Данные такого анализа микробиома человека актуальны в течение минимум года. Это открытие взбудоражило научную общественность – ведь это позволит в принципе идентифицировать личность человека по ДНК его микробиоты. В целом, интерес криминалистики в геномных исследованиях существенно возрос за последние годы. Этот подход помогает в решении таких задач, как определение останков при катастрофах. Методы для их решения были и раньше, но с использованием новых технологий их точность возросла на порядки.

«Невозможно обойти вниманием ставшую уже хрестоматийной проблему невосприимчивости бактерий к антибиотикам, – говорит заместитель директора лаборатории алгоритимической биологии СПбГУ Алла Лапидус. – Антибиотики – это средство борьбы микроорганизмов друг с другом. Они конкурируют за источники питания и поэтому им надо избавляться от лишних соседей, выделяя в окружающую среду токсины, т.е. антибиотики. В мире потребляется огромное количество противомикробных препаратов, но микроорганизмы быстро развиваются и легко адаптируются к новым воздействиям. Ученые постоянно создают новые препараты для борьбы с такими резистентными штаммами. Однако эти новые антибиотики на самом деле не новы – это производные ранее известных веществ, со слегка модифицированной структурой». Хотя, по мнению Лапидус, возможность ими лечить остается, но в огромном количестве случаев они совершенно не помогают, так как не представляют собой ничего принципиально нового. У врачей сегодня есть большая потребность в принципиально других антибиотиках. Претендентов из мира микроорганизмов, которые могут производить такие вещества, ученые ищут биоинформатическими методами.

Международные программы по изучению микробиоты человека начались давно, в России это движение заметно отстает. Алла Лапидус считает, что если человек заболевает, то в идеале следовало бы изучить его геном и микробиоту в комплексе. Состав микробиоты обязательно будет говорить о здоровье или нездоровье пациента. Как только в мире появятся базы данных, в которых можно будет отследить связь заболевания с изменением микробиоты, – это будет прекрасная диагностика. Над созданием таких баз и работают биотехнологи. Для этого нужно сделать много проб, проанализировать большое количество людей. Проведение такого масштабного сиквенса требует солидных денежных вливаний. Поэтому эти исследования должны поддерживаться государственной программой. 

Программные продукты для анализа метагеномов, с помощью которых можно исследовать и микробиом человека, сегодня создаются в центре алгоритмической биологии при СПбГУ. Он был создан в Петербургском университете наряду с другими крупными лабораториями и центрами, открывшимися за последние два года. Работой научного коллектива руководит профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего Павел Аркадьевич Певзнер. Первоначально лаборатория алгоритмической биологии была создана при Академическом университете в 2011 году в рамках правительственного мегагранта первой волны. За время работы по мегагранту ученые провели масштабные биоинформатические изыскания: на сегодняшний момент они проанализировали терабайты данных.

Павел Певзнер: «SPAdes – продукт, созданный в нашей лаборатории, является одной из немногих российских научных разработок, которой удалось стать брендом и одним из самых популярных геномных ассемблеров в мире. Его известность стремительно растет: статья про SPAdes была опубликована всего три года назад, но только за 2015 год в мировой научной прессе на нее уже сделано 200 ссылок. Фактически, сейчас в биоинформатике нет других продуктов из России, которые настолько популярны.

Хочется отметить, что все это сделано в рамках работы по правительственному мегагранту. До мегагранта в России не было ни одной команды, которая бы занималась этим вопросом. После завершения работ по проекту нам удалось создать коллектив, который успешно соревнуется с ведущими западными лабораториями».

В 2015 году работа центра будет сфокусирована на десяти биомедицинских проектах в области геномики, иммуноинформатики и исследования антибиотиков. Сотрудники центра своей главной целью видят налаженный выпуск бионформатического софта для тысяч биомедицинских лабораторий. Три года назад в рамках мегагранта ими был создан сборщик геномных данных, который собирает обратно хромосому после того, как ее просеквенировали. Программу назвали SPAdes (Saint-Petersburg assembler), она получила мировое признание ученых-биоинформатиков, и для работы с геномом микроорганизмов SPAdes является одним из лучших софтов. К настоящему времени геномный сборщик SPAdes уже установлен в 1500 лабораториях по всему миру. 

Еще совсем недавно перед учеными-биологами стояла проблема, которая заключалась в том, что для чтения ДНК было необходимо достаточно большое ее количество – требовался генетический материал из тысяч одинаковых бактериальных клеток. Все осложнялось еще и тем, что 90% известных ученым микроорганизмов не культивируются, то есть не растут на искусственных питательных средах. С развитием методов современной биоинформатики стало возможным обходиться для секвенирования количеством ДНК, которое содержится в единичной клетке микроорганизма. Коллективу ученых под руководством Павла Певзнера удалось добиться того, что ассемблер SPAdes хорошо работает с такими данными. Сотрудники лаборатории создали универсальную платформу в виде ассемблера, на основе которой можно разрабатывать программное обеспечение для решения ряда смежных задач. Ученые, например, смогли научить сборщик генома читать фрагменты ДНК, которые получены разными способами. Для этого пришлось разработать различные сиквенсные технологии.

Антон Коробейников, руководитель направления геномной сборки: «Мы тратим большие усилия, чтобы сделать SPAdes универсальным средством работы, удобным конечному пользователю».

«Параллельно с развитием самого ассемблера в лаборатории шла разработка различных утилит, предназначенных для решения сопутствующих задач, – рассказывает Коробейников. – Например, утилита QUAST помогает биоинформатикам сравнивать и визуализировать результаты работы ассемблеров, предназначенных для разных целей. Это важно для конечных пользователей продукта при выборе программы для анализа их данных».

В планах у создателей ассемблера серьезный рост: выпуск отдельных сборщиков для РНК – rnaSPAdes, для сложных диплоидных геномов –  dipSPAdes, metaSPAdes для метагеномов.

Функционал ассемблера постоянно улучшается. Создатели хотят расширить возможность использования ассемблера для сборки данных геномов более сложных, чем бактерии организмов, например, грибов. ДНК у них организована более сложно, и нужны дополнительные усилия для того, чтобы ее просиквенировать.

Достижения сотрудников лаборатории, усовершенствование методов работы геномного ассемблера могут находить свое применение не только в исследованиях микробиома, но и в ряде смежных областей.

Например, у коллектива лаборатории в планах провести адаптацию SPAdes для чтения больших геномов (сейчас с помощью ассемблера можно быстро расшифровывать только маленькие). Улучшить количественные методы анализа близких геномов. 

Разработать и развить методику сиквенса одиночных молекул ДНК в реальном времени – SMRT.  

Создать приложения для анализа ракового генома и поиска новых антибиотиков.

Жизнь человека неразрывно связана с его микробиомом. Не изучив досконально особенности и механизмы его работы, законы, по которым он существует, вряд ли можно будет говорить о какой-то полноценной терапии заболеваний человека. Достижения сегодняшней биоинформатики помогают медикам понять и по-иному взглянуть на происхождение и лечение множества заболеваний. Отрадно, что в авангарде этих исследований находится российская научная школа биоинформатики под руководством Павла Аркадьевича Певзнера.

Автор благодарит за огромную помощь в подготовке материала сотрудников ЦАБ Санкт-Петербургского государственного университета: Аллу Лапидус, Антона Коробейникова и Елену Стрельникову.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

11.08.2015