Персонализированная медицина будет использовать компьютерные алгоритмы

Ученые из Университета ИТМО, Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины и МФТИ разработали программу для быстрого сравнения наборов ДНК микроорганизмов из разных сред. Сравнивая микрофлору здорового человека и пациента, алгоритм может обнаружить неизвестные патогены и их штаммы, что поможет развитию персонализированной медицины. Результаты опубликованы в Bioinformatics.

Метагеном и его значение

Метагеном — это совокупная ДНК всех микроорганизмов (бактерий, грибов, вирусов) в определенной среде. Изучение микробиоты (микроорганизмов тела человека) критически важно, так как метагеном часто указывает на болезни или предрасположенность к ним.

Как работает программа MetaFast

Разработанный алгоритм MetaFast проводит быстрый сравнительный анализ множества метагеномов.

• Ключевое преимущество: успешно работает со средами, генетическое содержимое которых еще не изучено.
• Принцип работы: находит все возможные последовательности генов (даже ранее неизвестные, собирая их из фрагментов прочтений генома) и одновременно выявляет метагеномные паттерны, отличающие, например, больных от здоровых.
• Применение: позволяет проводить непрямой экспресс-анализ маркеров болезней. Результаты затем можно проверять и уточнять целевыми методами, например, ПЦР.

Возможности и тестирование

• Обнаружение сложных патогенов: программа может обнаруживать микроорганизмы, которые не размножаются in vitro (например, вирусы), и работать с полностью неизвестным материалом.
• Не только медицина: алгоритм можно использовать для сравнения микробиоты изолированных популяций (например, коренных народов) и городских жителей, чтобы найти полезные бактерии, утраченные в процессе урбанизации.
• Эффективность доказана: программа успешно проанализировала метагеномы крупнейших озер мира, найдя генетическое сходство между образцами со схожим химическим составом. Также с ее помощью изучены микроорганизмы в метро Нью-Йорка, что подтвердило его относительную безопасность для человека.

Почему это прорыв

Объем данных о метагеномах растет экспоненциально, но большинство исследований не завершены из-за технологических ограничений. Ученые могут либо собрать частичный метагеном (что требует много времени), либо сравнить фрагменты генома с имеющимися эталонами ДНК (которых очень мало, особенно для вирусов).

Новый алгоритм MetaFast сочетает преимущества обоих подходов и обеспечивает высокоскоростную обработку данных, экономя оперативную память.