Ученые секвенировали «темную материю жизни»

Исследователи разработали новый метод для секвенирования и анализа «темной материи жизни» — геномов тысяч ранее недоступных видов бактерий, от микроорганизмов, производящих антибиотики и биотопливо, до микробов, живущих в теле человека.

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Института Крейга Вентера и компании Illumina Inc. опубликовали результаты в онлайн-выпуске журнала Nature Biotechnology от 18 сентября. Прорыв позволит собирать практически полные геномы из ДНК, извлеченной из одной бактериальной клетки. Для сравнения, традиционные методы требуют не менее миллиарда идентичных клеток, выращенных в культурах в лаборатории. Исследование открывает путь к секвенированию бактерий, которые не культивируются — подавляющего большинства видов бактерий на планете.

«Эта часть жизни была полностью недоступна на геномном уровне», — сказал Павел Певзнер, профессор компьютерных наук в Школе инженерии Джейкобса и пионер в разработке алгоритмов для современных технологий секвенирования ДНК.

Певзнер в сотрудничестве с профессором математики Гленном Теслером и постдокторантом Хамидрезой Читсазом разработал алгоритм, который значительно улучшает работу программного обеспечения для сборки генома из ДНК, полученной из одной бактериальной клетки. Традиционно эти программы восстанавливали 70% генов.

«Новый алгоритм сборки захватывает 90% генов из одной клетки. Это, конечно, не 100%. Но это почти предел для современных технологий секвенирования: сегодня биологи обычно захватывают 95% генов, но для этого им нужно вырастить миллиард клеток», — пояснил Теслер.

Бактерии играют жизненно важную роль в здоровье человека. Они составляют около 10% веса человеческого тела и встречаются повсюду — от желудка до рта. Некоторые, как E. coli, могут наносить вред. Другие помогают пищеварению. Третьи, как показали недавние исследования, могут влиять на поведение, например, заставляя нас есть больше, чем нужно. Поэтому так важно анализировать геномы бактерий, что, в свою очередь, помогает понять их поведение.

Современным секвенаторам требуется ДНК из миллиарда бактериальных клеток для получения полного генома. Биологи обычно выращивают необходимое количество бактерий в культурах в лаборатории. Именно так они получили достаточно ДНК для секвенирования E. coli. Но подавляющее большинство бактерий — по некоторым оценкам, 99,9% — нельзя культивировать в лаборатории, так как они живут в специфических условиях, которые трудно воспроизвести (например, в симбиозе с другими бактериями или на коже животных).

Решение — технология множественного вытесняющего амплификации (MDA), разработанная около десяти лет назад профессором Роджером Ласкеном (ныне в Институте Вентера, соавтор исследования). MDA можно использовать на бактериях, которые не культивируются. Эта технология работает как копировальный аппарат: она начинает с одной клетки и копирует фрагменты ее генома, пока не получит эквивалент миллиарда клеток. В 2005 году Ласкен и коллеги впервые использовали MDA для секвенирования ДНК из одной клетки.

Однако, будучи гениальным клеточным копировальным аппаратом, MDA создает проблемы для программ сборки. Копии ДНК, которые он создает, содержат ошибки и амплифицируются неравномерно: одни участки генома копируются тысячи раз, другие — только один или два. Современные алгоритмы секвенирования не приспособлены для работы с такими диспропорциями. Фактически они склонны отбрасывать фрагменты генома, реплицированные всего несколько раз, как ошибки секвенирования, хотя они могут быть ключевыми для сборки всего генома. Алгоритм, разработанный командой Певзнера, меняет это. Он сохраняет эти фрагменты и использует их для улучшения сборки.

Исследователи секвенировали одну клетку E. coli этим методом, чтобы проверить точность алгоритма, и восстановили 91% ее генов, показав результат, почти сопоставимый с традиционным секвенированием из культур клеток. Этого достаточно для ответа на многие важные биологические вопросы, например, какие антибиотики производит вид бактерий. Это также впервые позволяет исследователям детально изучать, какие белки и пептиды используют бактерии, живущие в человеке, для общения друг с другом и с хозяином.

Затем ученые обратились к виду морских бактерий, который никогда ранее не секвенировался — части «темной материи жизни». Они не только секвенировали его геном, но и проанализировали его, получив информацию о том, как он живет и двигается. Полученный достаточно полный и аннотированный геном стал первым геномом, полученным с помощью MDA и внесенным в GenBank — генетическую базу данных Национальных институтов здоровья (NIH). С помощью нового алгоритма тысячи других геномов последуют за ним.

Команда Певзнера работает над алгоритмом второго поколения. Команда Ласкена также планирует продолжать работу по улучшению MDA.

В лаборатории Ласкена в Институте Вентера в Ла-Хойе хранятся сотни пробирок с несеквенированными бактериями. Каждая представляет собой бактериальную terra incognita, которую ученые скоро смогут исследовать с помощью метода, разработанного совместными усилиями исследователей.

«Это очень большой шаг вперед», — сказал Ласкен.