Международное соревнование оценило программы для метагеномики
Бактериальные сообщества живут повсюду: внутри и на нашем теле, а также вокруг нас. Только в кишечнике человека обитают сотни видов бактерий, которые помогают переваривать пищу и поставляют питательные вещества, но также могут вызывать болезни. Чтобы изучать эти группы бактерий и их влияние, ученым нужно их исследовать. Однако эта задача сложна, так как культивирование бактерий в лаборатории часто невозможно или нарушает биологические процессы, которые нужно изучить.
Чтобы обойти эти трудности, ученые обратились к метагеномике. В этой области исследователи используют алгоритмы для сборки ДНК из образца окружающей среды, чтобы определить тип и роль присутствующих бактерий. В отличие от устоявшихся областей, таких как химия, где результаты сверяют с известными стандартами, метагеномика — молодая область, в которой таких эталонов не хватает.
Михэй Поп, профессор компьютерных наук Университета Мэриленда, недавно помогал судить международное соревнование Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI), которое провело бенчмаркинг программного обеспечения для метагеномики. Результаты были опубликованы в журнале Nature Methods 2 октября 2017 года.
«Нет ни одного алгоритма, который можно было бы назвать лучшим во всем», — сказал Поп. — «Мы обнаружили, что один инструмент лучше работает в одном контексте, а другой — в другом. Исследователям важно понимать, что им нужно выбирать программное обеспечение, исходя из конкретных вопросов, на которые они хотят ответить».
Результаты исследования не удивили Попа из-за множества проблем, с которыми сталкиваются разработчики ПО для метагеномики. Во-первых, анализ ДНК сложен, потому что извлеченная ДНК часто поступает из полевых условий, а не из строго контролируемой лабораторной среды. Кроме того, ДНК многих организмов — некоторые из которых могут не иметь известных геномов — смешивается в образце, что затрудняет правильную сборку отдельных геномов. К тому же, ДНК деградирует в суровых условиях.
«Мне нравится думать о метагеномике как о новом типе микроскопа», — сказал Поп. — «Раньше для изучения бактерий использовали микроскоп. Теперь у нас есть гораздо более мощный микроскоп — это секвенирование ДНК в сочетании с продвинутыми алгоритмами. Металогеномика обещает помочь нам понять, что делают бактерии в мире. Но сначала нам нужно настроить этот микроскоп».
Для конкурса исследователи CAMI объединили примерно 700 микробных геномов и 600 вирусных геномов с другими источниками ДНК и смоделировали, как такая коллекция ДНК может выглядеть в полевых условиях. Задачей участников была реконструкция и анализ геномов из смоделированного пула ДНК.
Исследователи CAMI оценивали результаты участников по трем направлениям:
- Сборка (assembly) — насколько хорошо были собраны фрагментированные геномы.
- Бинирование (binning) — насколько хорошо ДНК-фрагменты были организованы в родственные группы для определения семейств организмов в смеси.
- Профилирование (profiling) — насколько хорошо была восстановлена идентичность и относительная численность организмов в смеси.
Девятнадцать команд представили 215 работ, используя 6 сборщиков геномов, 9 программ для бинирования и 10 программ для профилирования.
Результаты показали:
- Для сборки алгоритмы, использующие фрагменты ДНК разной длины, превзошли те, что используют фрагменты фиксированной длины. Однако ни один сборщик не справился хорошо с разделением разных, но схожих геномов.
- Для бинирования был обнаружен компромисс между точностью определения группы для фрагмента ДНК и количеством фрагментов, которые программа смогла отнести к каким-либо группам. Это означает, что исследователям нужно выбирать ПО для бинирования, исходя из приоритета точности или охвата. Кроме того, производительность всех алгоритмов бинирования снижалась, когда в образце присутствовало несколько родственных геномов.
- Для профилирования одни программы лучше восстанавливали относительную численность бактерий, а другие — лучше обнаруживали организмы, даже в очень малых количествах. Однако последние алгоритмы чаще ошибочно идентифицировали организм.
В будущем группа CAMI продолжит проводить новые соревнования с разными наборами данных и оценками, направленными на более конкретные аспекты работы ПО.
«Области метагеномики нужны стандарты, чтобы гарантировать, что результаты корректны, хорошо проверены и соответствуют лучшим практикам», — сказал Поп. — «Например, если врач собирается назначить лечение на основе результатов метагеномного ПО, крайне важно, чтобы эти результаты были правильными. Наша работа дает дорожную карту для выбора подходящего программного обеспечения».