Новый вычислительный инструмент может изменить изучение патогенов
Сложный новый инструмент анализа, разработанный учёными Университета штата Флорида, может ознаменовать новую эру в изучении популяционной генетики.
Их модель, включающая передовые математические стратегии, способна революционизировать методы исследования распространения и распределения опасных, быстро эволюционирующих переносчиков болезней.
Это прорывное исследование стало результатом междисциплинарного сотрудничества математика-постдока Сомайе Машайехи и вычислительного биолога Питера Бирли из Департамента научных вычислений FSU. Их результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Наша работа — первое применение дробного исчисления в популяционной генетике, — сказал Бирли. — Это поможет нам давать более точные оценки величин, которые могут быть важны для борьбы с патогенами».
Модель команды, названная f-коалесцентной из-за нового использования дробного исчисления, продолжает линию более ограниченной модели n-коалесцент. Предложенная британским математиком Джоном Кингманом в 1982 году, n-коалесцентная модель позволила учёным делать статистические выводы о прошлом популяции, используя данные, собранные в настоящем.
«N-коалесцент представил ретроспективный взгляд на отношения между особями», — пояснил Бирли.
Она позволила исследователям использовать геномные образцы из популяции для создания вероятностных утверждений о происхождении различных вариантов генов внутри этой популяции. Это дало учёным беспрецедентно строгое понимание сценариев и взаимодействий, которые сформировали изменчивость вида с течением времени.
Но при всех своих новаторских теоретических преимуществах у n-коалесцентной модели был один серьёзный недостаток: она работала в предположении, что популяции однородны. То есть предполагалось, что каждая особь имеет идентичный опыт, сталкивается с одинаковыми угрозами для выживания и получает одинаковые преимущества.
Именно здесь новая f-коалесцентная модель команды FSU превосходит своего предшественника. Их модель допускает повышенную экологическую гетерогенность, особенно в отношении местоположения и временных интервалов. Эти допущения помогают получить более чёткую картину того, когда возникают различные генетические вариации — информация, критически важная для анализа патогенов, быстро эволюционирующих в ответ на разные среды.
В своём исследовании Бирли и Машайехи применили f-коалесцент к трём реальным наборам данных: данным последовательностей митохондрий горбатых китов, митохондриальным данным малярийного паразита и полным геномным данным штамма вируса гриппа H1N1.
Они обнаружили, что хотя экологическая гетерогенность, по-видимому, мало влияла на набор данных по горбатым китам, данные по гриппу и малярии показали, что гетерогенность следует учитывать при оценке патогенов, которые быстро эволюционируют из-за меняющихся факторов отбора.
«Гетерогенность влияет на временные рамки в генеалогии, — сказала Машайехи. — F-коалесцент даст более точные оценки этого времени, что приведёт к важным изменениям в анализе патогенов».
Хотя f-коалесцент предлагает многообещающий новый метод для улучшения нашего понимания изменчивого и динамичного развития этих патогенов, исследователи отмечают, что модель необходимо ещё больше расширить, чтобы учесть множество факторов, влияющих на изменяющиеся популяции.
«Нам нужно расширить нашу теорию за пределы одной популяции и включить в модель иммиграцию, — сказал Бирли. — Только тогда мы сможем решать такие проблемы, как изменения в распространении гриппа или других быстро эволюционирующих патогенов».