"Солнечные зайчики" помогут ученым из России быстро находить различия в ДНК
Биологи из России научились расшифровывать и быстро сравнивать структуру ДНК разных клеток, просвечивая их молекулы лазером и наблюдая за тем, как его луч "рассыпается" на множество светлых и темных пятен. Описание этой методики было опубликовано в журнале Laser Physics Letters.
"Принцип работы нашего оптического процессора был описан достаточно давно, но подход, основанный на распознавании образов нуклеотидных последовательностей, уникален и отличается принципиальной новизной. Ранее он никогда не использовался в биоинформатике", - рассказывает профессор Сергей Ульянов из Саратовского государственного университета, чьи слова приводит пресс-служба Российского научного фонда.
Изначально технологии секвенирования ДНК были дорогим удовольствием, доступным лишь крупным лабораториям и большим коллективам ученых. По текущим оценкам экономистов, первая полная расшифровка человеческого генома обошлась налогоплательщикам США в 2,7 миллиарда долларов.
Рост мощностей компьютеров и новые технологии расшифровки ДНК, появившиеся в последние годы, снизили стоимость секвенирования до нескольких тысяч долларов, что позволило геномным технологиям проникнуть во все сферы медицины и науки.
Ульянов и его команда, как и многие другие зарубежные и отечественные ученые, пытаются сделать следующий шаг в развитии молекулярной биологии - они создают методы, позволяющие находить следы конкретных обрывков ДНК или геномов конкретных организмов в фактически любом месте без предварительной подготовки образца и знания того, что они там должны присутствовать.
Разработка подобных технологий крайне важна для медиков, так как они позволят им диагностировать опасные заболевания на самых ранних стадиях их развития, и находить следы инфекций, раковых клеток и прочих "нарушителей режима" еще до того, как они успеют укорениться в организме. Российские ученые сделали первый шаг к созданию таких систем, "приручив" своеобразных солнечных зайчиков.
Как заметили Ульянов и его коллеги, столкновение луча лазера с длинной молекулой ДНК приведет к тому, что он распадется на множество темных и светлых пятен. Их число, размеры и другие свойства будут очень сильно зависеть от того, как устроена та преграда, с которой сталкивается их прародитель.
Благодаря этому изменение даже одной "буквы" в ДНК сильно изменит число и расположение "солнечных зайчиков". Анализируя эти различия, можно понять, что именно поменялось в структуре генома микроба или клетки, а сами наборы светлых и темных пятен можно использовать для сравнения большого числа геномов разных клеток или штаммов бактерий.
Эту же методику анализа, по словам авторов статьи, можно использовать и для быстрого анализа и сравнения "обычных" геномов, расшифрованных при помощи классических методов молекулярной биологии. Для этого достаточно преобразовать их в подобную картинку при помощи специальной программы, так называемого "оптического процессора", и затем использовать ее для их сравнения между собой.
Российские ученые создали первую программу такого рода, обратив внимание на то, что именно происходит при взаимодействии луча лазера с разными "буквами" ДНК, и составив набор формул, позволяющий легко вычислять число, положение и другие свойства "солнечных зайчиков", которые возникали бы в ходе реального эксперимента.
Работу этой методики анализа и сравнения ДНК они проверили на фрагментах гена omp1, отвечающего за работу клеточной мембраны в клетках хламидий (Chlamydia), микроба-возбудителя одной из самых распространенных половых лекций.
Этот ген, как объясняют ученые, используется сегодня для поиска следов инфекции на ранних этапах заражения, и мелкие мутации внутри него могут сделать микроба "невидимым" для медиков. Оптические процессоры, как показали опыты Ульянова и его коллег, могут находить даже одиночные мутации в omp1, что ускорит обнаружение инфекции и поможет врачам корректно подобрать лекарство для борьбы с ней.
