Мощные методы системной биологии

Международная команда исследователей под руководством учёных из ETH Zurich впервые продемонстрировала, как извлекать проверяемые гипотезы из огромного массива различных измерительных данных для клеток, находящихся на пороге изменений. Разработанные компьютерные методы помогают расшифровать чрезвычайно сложные биологические механизмы регуляции.

Современные методы биологии позволяют легко накапливать огромные объёмы данных. Однако анализ этих данных и генерация новых знаний — задача гораздо более сложная. «С одной стороны, мы практически тонем в потоке биологических данных; с другой — нам часто не хватает ключевых данных», — говорит профессор Уве Зауэр.

Новые компьютерные методы могут помочь проанализировать огромные массивы данных. Вместе с профессором Йоргом Штеллингом и международной командой он продемонстрировал возможности компьютерной биологии на примере бактерии Bacillus subtilis.

Крупнейший набор данных

Исследователи составили обширную коллекцию из сотен тысяч специфических биологических значений для бактерии. Особенность этого набора в том, что он отражает не состояние бактерий в определённый момент, а последовательность измерений адаптации микроорганизмов к изменению условий среды в течение нескольких часов.

Учёные сначала выращивали бактерии на глюкозе, а затем добавляли яблочную кислоту, которую микроорганизмы могут использовать как альтернативный питательный субстрат, и наоборот. Они проводили все доступные измерения биологических параметров с короткими интервалами, создав крупнейший на сегодняшний день набор данных для таких переходов.

Сложнее, чем предполагалось

С помощью новых и существующих методов компьютерного анализа учёные показали, что для сравнительно простой адаптации к новому источнику пищи бактерии сильно меняют свой метаболизм и базовые механизмы регуляции внутри клетки.

«Метаболические процессы в бактерии очень сильно связаны, и природа использует здесь гораздо более сложный механизм контроля, чем простейший из теоретически возможных», — говорит Штеллинг. Вместо ожидаемых изменений в активности пары десятков генов свою активность изменили почти половина из 4000 генов бактерии.

Исследователи также выяснили, почему Bacillus subtilis адаптируется к яблочной кислоте гораздо быстрее, чем к глюкозе. С помощью компьютерных методов они выявили гены, которые действуют как «тормоз» при адаптации к глюкозе, поскольку медленно адаптируют свою активность к изменившимся условиям.

Возможности системной биологии

Благодаря анализу учёные обнаружили сотню ранее неизвестных областей в генетическом материале бактерии, которые выполняют регуляторную функцию. Для ряда генов, ранее не описанных детально, они смогли предсказать функцию.

Однако главной мотивацией исследователей было не более точное описание метаболизма Bacillus subtilis, а демонстрация возможностей системной биологии. «Наши методы позволяют распознать все центральные биологические процессы в клетке в этом хаосе данных», — говорит Зауэр. Их также можно использовать для расшифровки чрезвычайно сложных клеточных механизмов регуляции, охватывающих весь спектр генов, регуляторных молекул и белков.

Данные и методы в открытом доступе

На следующем этапе учёные планируют применить свои методы к более сложному организму — пекарским дрожжам. В конечном итоге они хотели бы изучать и клетки млекопитающих. Эти методы также можно использовать для расшифровки важных молекул в медицинских исследованиях, на которые потенциально можно воздействовать лекарствами.

Исследователи сделали все свои данные и инструменты общедоступными. «Коллеги могут анализировать наши данные своими методами. И они могут использовать наши методы для анализа своих данных или для дальнейшего развития наших методов», — подчёркивает Штеллинг.