Метод вычисления эволюционных деревьев может совершить революцию в эволюционной биологии

Детальные и точные эволюционные деревья, показывающие родственные связи живых организмов, теперь можно определять гораздо быстрее и для тысяч видов с помощью вычислительного метода, разработанного специалистами по информатике и биологом из Техасского университета в Остине.

Они сообщают о своём новом методе в журнале Science.

Со времён Чарльза Дарвина биологи строили эволюционные деревья, чтобы объяснить родственные связи растений, животных и других организмов. Наука построения этих деревьев, известная как систематика, значительно продвинулась за последние два десятилетия, в основном благодаря достижениям в области вычислений, генетики и молекулярной биологии.

Однако многие связи между 1,5 миллионами описанных видов в мире (их истинное число может составлять 10 миллионов или более) ещё предстоит выяснить, и сюрпризы всё ещё остаются. Для определения этих связей требуется анализ больших объёмов молекулярных данных, таких как последовательности ДНК и белков.

Специалист по информатике Тэнди Уорноу, биолог Рэнди Линдер и их аспиранты создали автоматизированный вычислительный метод под названием SATé, который может анализировать эти молекулярные данные от тысяч организмов, одновременно определяя, как должны быть организованы последовательности, и вычисляя их эволюционное родство всего за 24 часа.

Предыдущие аналогичные методы, подобные методу Уорноу и Линдера, были ограничены анализом 20 видов или менее и занимали месяцы для выполнения.

«SATé может полностью изменить практику построения эволюционных деревьев и революционизировать наше понимание эволюции», — говорит Уорноу, профессор информатики и ведущий автор исследования.

Кроме того, SATé может точно анализировать последовательности ДНК, которые быстро эволюционируют. Эти последовательности ранее избегали из-за опасений, что полученные деревья будут неточными.

Перед тем как дерево, или филогения, может быть определено, данные последовательностей ДНК и белков должны быть организованы. Этот процесс называется выравниванием. Ключевым в программе Уорноу и Линдера является её способность быстро и точно выравнивать эти данные.

«Наш процесс нов, потому что он быстро и одновременно выравнивает последовательности и ищет наилучшие филогении, — говорит Линдер, доцент интегративной биологии. — Старый способ сделать это для большого числа последовательностей заключался в том, чтобы выровнять данные один раз, но мы можем рассматривать множество вариантов, чтобы найти лучшие».

Это важно, потому что разные выравнивания могут приводить к значительно разным филогениям, и учёные должны найти филогению, которая наилучшим образом представляет эволюционные связи между рассматриваемыми видами.

Для своей статьи Уорноу, Линдер и их студенты протестировали SATé, используя сгенерированные компьютером данные и реальные биологические данные. Биологические данные ранее были выровнены вручную другими экспертами.

Новые филогении близко соответствуют существующим, что подтверждает потенциал метода и, в некоторых случаях, подтверждает сами эволюционные деревья.

«Вместо того чтобы делать всё вручную, эволюционные биологи теперь могут доверять нашей автоматизированной программе, — говорит Уорноу. — Это позволит создавать гораздо более точные деревья, особенно для Древа Жизни, которое имеет дело с сотнями тысяч последовательностей генов от миллионов видов на Земле».

«Уорноу и Линдер создали метод, который ускоряет процесс и устраняет любую субъективность, — говорит Майкл Браун, эволюционный биолог из Смитсоновского института, не связанный с этим проектом. — Это большой шаг вперёд для эволюционной биологии».