Ускорение идентификации вирусов и бактерий с помощью вычислительных методов

Новое международное исследование показало, как процесс различения вирусов и бактерий можно ускорить с помощью вычислительных методов.

Исследователи под руководством Университета Эдинбурга с коллегами из Кембриджа, Лондона, Словении и Китая использовали комбинацию теоретических и экспериментальных методов для разработки стратегии обнаружения ДНК инфекционных заболеваний. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Текущая пандемия коронавируса подчеркивает необходимость быстрого и точного обнаружения инфекционных заболеваний. Важно различать вирусные инфекции, такие как коронавирус, и бактериальные инфекции, связанные с устойчивостью к противомикробным препаратам (AMR). Обычно это делается с использованием комплементарной последовательности, которая избирательно связывается с геномом-мишенью. Как правило, мишенью служит одна длинная последовательность ДНК, уникальная для патогена.

Однако исследователи полагают, что гораздо более высокой селективности можно достичь, одновременно нацеливаясь на множество более коротких последовательностей, которые встречаются с большей частотой в патогене-мишени, чем в ДНК других организмов, которые могут присутствовать в образцах пациента.

«Этот подход использует явление, называемое "мультивалентностью". Обширные численные расчеты, основанные на реальных последовательностях ДНК бактерий и вирусов, показывают, что этот подход должен значительно превзойти существующие», — сказала соавтор профессор Эрика Айзер из Кавендишской лаборатории в Кембридже. — «Даже если отдельные короткие последовательности связываются с целевой ДНК слабее, чем одна длинная, сила мультивалентного связывания растет гораздо быстрее, чем линейно, с увеличением числа коротких последовательностей».

Другими словами, вместо создания молекулярных зондов, которые прочно связываются с одним участком целевой ДНК, исследователям следует, вопреки интуиции, создавать зонды, которые слабо связываются по всей целевой ДНК. Создание таких относительно коротких последовательностей зондов в настоящее время является стандартной процедурой, и их можно заказать онлайн.

Экспериментальная часть проекта началась в Кембридже с опытов, показавших, что метод может работать в принципе на смеси вирусной ДНК и коллоидов, покрытых короткими комплементарными цепями. Затем с помощью моделирования предсказали, какая комбинация последовательностей зондов даст наивысшую селективность.

Эта часть проекта пока была протестирована только на компьютерных моделях. Следующий шаг — проведение экспериментов на реальных смесях вирусной и бактериальной ДНК.

«Необходимы эксперименты, чтобы проверить, насколько хорошо это работает на практике, но это захватывающая работа, учитывая острую потребность в быстрых и надежных методах обнаружения заболеваний, особенно тех, которые можно применять в странах со слабой инфраструктурой здравоохранения», — сказала профессор Розалинд Аллен из Университета Эдинбурга, руководившая исследованием.

Эта работа была выполнена до пандемии COVID-19. Однако текущая чрезвычайная ситуация иллюстрирует необходимость надежных и высокоселективных методов быстрой идентификации конкретных вирусов, особенно в условиях «низких технологий».