Информатика в мире больших данных: от микробиома до интерактивных учебников

В эпоху, когда секвенирование ДНК создает мощные потоки данных, а высокопроизводительные вычисления позволяют извлекать из них смысл, специалисты на стыке биологии и компьютерных наук исследуют обширную новую территорию.

Вызовы и возможности биоинформатики

Грег Капорасо, доцент биологических наук в Университете Северной Аризоны (NAU), отмечает, что для простых вопросов уже существуют рабочие протоколы. Однако масштаб современных данных радикально меняет задачу: «Одна проблема — взять последовательность и выяснить, к какому организму она принадлежит и какова ее функция. Совершенно другая проблема — сделать это для ста миллионов последовательностей».

Большая часть его работы посвящена сочетанию изучения микробиома человека (триллионов микроорганизмов в кишечнике) с разработкой программного обеспечения для интерпретации результатов секвенирования ДНК.

Высокопроизводительные вычисления как двигатель исследований

Недавнее развертывание в NAU высокопроизводительного вычислительного кластера «monsoon» открыло новые возможности:

• Проект аспирантки по идентификации бактериальных видов через моделирование известных последовательностей ДНК стал возможен только благодаря этой системе.
• Постдок готовит масштабный проект по бенчмаркингу стандартных подходов к анализу сложных сообществ ДНК, что критически необходимо для развития области.

Микробиом и аутизм: межвузовский проект

Команда Капорасо совместно с исследователями из Университета штата Аризона (ASU) и Университета Аризоны (UA) приступила к проекту, финансируемому Советом регентов Аризоны. Цель — изучить связь между микробиомом и тяжестью симптомов аутизма.

• Есть свидетельства, что микробы в кишечнике могут производить химические вещества, влияющие на выраженность симптомов.
• Также существует ряд наблюдений, что изменение микробного сообщества с помощью определенных пробиотиков может снизить тяжесть этих симптомов.

Образование будущего: интерактивный учебник

Еще один проект, близкий Капорасо, — создание онлайн-интерактивного учебника по биоинформатике для его курса. Он переработал лекции и материалы в инструмент, включающий исполняемый код, что позволяет студентам изучать методы непосредственно в контексте их реализации.

«Если во время лекции у кого-то возникает вопрос о том, как изменение параметра может повлиять на результат алгоритма, мне не нужно давать теоретическое описание — у всех нас код прямо перед глазами. Так что мы работаем над этим вместе», — поясняет Капорасо.

Его цель — найти финансирование для развития этого проекта в «полностью самостоятельный, с открытым исходным кодом, совершенно бесплатный онлайн-учебник по биоинформатике».