Новый алгоритм поможет предсказать будущие болезни по микрофлоре человека

Учёные из университета ИТМО, Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины и МФТИ разработали программу, которая позволяет быстро сравнивать между собой совокупности ДНК микроорганизмов, обитающих в разных средах. С её помощью можно будет сравнить микрофлору здорового и больного человека (выявив вредные микроорганизмы или отсутствие полезных), обнаружить ранее неизвестные патогенные организмы, что поможет в разработке средств персонализированной медицины. Результаты исследования опубликованы в журнале Bioinformatics.

У каждого человека есть геном — набор генов, содержащихся в его клетках, в соответствии с которым они и развиваются. Однако помимо того внутри нас можно найти так называемый метагеном. Это ДНК и даже РНК разнообразных бактерий, грибов, вирусов, обитающих внутри человека и на его коже. Метагеном лишь на первый взгляд выглядит настоящим "супом", где смешалась генетическая информация как от наших клеток, так и от более многочисленных клеток наших микроскопических "спутников". При его внимательном анализе часто можно выявить признаки самых разных заболеваний. С его помощью можно изучить микробиоту, то есть совокупность микроорганизмов, населяющих различные отделы человеческого организма. Часто заболевание вызвано тем, что внутри неё нарушилось хрупкое "экологическое равновесие", и одна группа бактерий начала вытеснять другую, разбалансировав тонкую систему "сдержек и противовесов" внутри нас.

Лишь одна из десяти клеток в теле человека является собственно человеческой. Остальные девять — это различные симбиотические или патогенные микроорганизмы, в основном бактерии и грибы. Из этого очевидно, что их метагеномный анализ во много раз сложнее, чем анализ собственно человеческого генома. Если этот процесс не автоматизировать, он будет занимать так много времени, что быстро начать лечение пациента просто не получится.

Именно поэтому учёные разработали программный инструмент под названием MetaFast. Как видно из названия, он нацелен на быстрый сравнительный анализ большого количества метагеномов.

Одной из ключевых особенностей программы является возможность успешно работать со средами, генетическое содержимое которых ранее не было изучено, то есть находить неизвестные бактерии и вирусы. Это очень важно потому, что множество микроорганизмов вне человека не размножаются. Поэтому изучить их ДНК в лаборатории практически невозможно, а значит, и неясно, какую роль они в нём играют. Считается, что до сих пор неизвестны геномы девяти из десяти обитающих внутри нас видов. Одновременно программа сама ищет метагеномные различия, которые отделяют одних людей (здоровых) от других (больных).

Чтобы понять, зачем это нужно, достаточно вспомнить, что целый ряд массовых заболеваний, ранее считавшихся неинфекционными, сегодня начинают связывать с нарушениями в работе микробиоты. К примеру, известно, что все симптомы диабета второго типа бесследно проходят у тех, кто хирургическим путем потерял двенадцатиперстную кишку. Из этого ясно, что микрофлора именно этого отдела кишечника как-то влияет на развитие диабета. Но без метагеномного анализа даже просто установить, какой именно организм играет в этом основную роль — очень долгое и непростое занятие.

С помощью программы можно проводить нецелевой (веерный) экспресс-анализ маркеров, указывающих на наличие каких-либо заболеваний. Затем, используя полимеразную цепную реакцию — способ многократного копирования фрагментов ДНК — можно подтверждать и корректировать первичные результаты. По словам учёных, программа потенциально способна сократить сроки создания новых лекарств в несколько раз.

MetaFast может не только искать болезнетворные организмы и помогать создавать лекарства от них. Сравнение метагеномов самобытных народов в замкнутых сельских популяциях с жителями городов способно помочь выделить бактериальные штаммы кишечной микрофлоры, крайне полезные для людей, но утерянные в процессе урбанизации. Антибиотики, консерванты, пищевые красители и еда из супермаркетов способны подавить размножение в микрофлоре нашего кишечника многих полезных бактерий. Потенциально метагеномный анализ пригоден для поиска таких линий и даже может дать толчок для их искусственного внедрения.