Новая система кодировки позволила выявить бессимптомное течение широко распространенного в мире заболевания — хламидиоза, а также записать — впервые — расшифрованный геном его возбудителя с высокой точностью. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда и выполнены на базе Федерального исследовательского центра вирусологии и микробиологии.
Фото: Gado / Getty Images
Фото: Gado / Getty Images
«Результаты этой работы позволят значительно улучшить методы мобильной диагностики как самих возбудителей, так и генетических отличий между ними»,— радуется один из ведущих авторов статьи, научный сотрудник Саратовского национального исследовательского государственного университета, профессор Валентина Федорова.
За несколько предыдущих лет человечество произвело больше информации, чем за все годы более раннего существования. В связи с этим все более востребованными становятся подходы, нацеленные на использование отличных от классических носителей информации, например молекул ДНК. Так, подразделение Microsoft Research сумело записать на молекулы 200 Мбайт данных, среди них — HD-видео и сотня книг проекта «Гутенберг». Однако проблема кроется в обратном процессе: как прочитать уже записанные данные?
Сейчас записи последовательностей ДНК хранятся в огромных текстовых файлах, что замедляет их анализ. Нередко требуется заново расшифровывать фрагменты ДНК, что приводит к росту ошибок при их оцифровке.
Новый аналоговый метод записи позволяет избежать всех недостатков. С помощью алгоритма, разработанного профессором Саратовского государственного университета Сергеем Ульяновым, ученые смогли оцифровать гены возбудителей болезней, общих для животных и человека, причем не только бактерий, но и вирусов, в частности птичьего гриппа.
«Если раньше для записи информации использовался двоичный код, то мы в своих исследованиях используем четырехзначный код, предложенный самой природой, что фактически исключает ошибки»,— говорит Валентина Федорова.
Авторы сконцентрировались на хламидиозе — широко распространенном во всем мире заболевании. Эта бактериальная инфекция распространяется половым путем, а также через пищу или органы дыхания и вызывается паразитическими микробами хламидиями. Болезнь опасна тем, что протекает бессимптомно и это значительно осложняет ее диагностику. Первые признаки заболевания обнаруживаются поздно, когда инфекция поражает целые органы и ткани. Впоследствии без должного лечения и своевременной точной диагностики возможно развитие бесплодия и даже хронического воспаления глаз, способного вызвать полную потерю зрения. Поэтому важно обнаружить патоген в клинических образцах как можно раньше.
«Сейчас насчитывают 17 видов хламидий и сотни различных вариантов возбудителя хламидиоза. Наш подход, выявляющий минимальные генетические отличия в них, позволит не только поставить верный диагноз, но и понять, какие меры стоит принимать. То есть вариант лечения будет определяться тем, каким штаммом заразился пациент, кошачьим или человеческим»,— рассказывает Валентина Федорова.
Чтобы получить оцифрованные последовательности ДНК, последние кодируют с помощью оптических методов и заносят на носитель. Для этого сперва разбивают текст ДНК на триады, которые представляют собой нечто вроде трехбуквенных слов, составляющих своего рода предложения. Возможное число таких триплетов составляет 64, поскольку на месте каждой из трех позиций в триаде допустима одна из четырех букв — нуклеотидов. В итоге каждому из 64 триплетов присваивается уникальное число, а полученный массив значений заносят в матрицу, которую с помощью специальных алгоритмов превращают в изображение. Оно представляет собой своеобразную тепловую карту, где более интенсивные по цвету точки соответствуют большему числу, и наоборот.
Более того, для повышения чувствительности метода ученые изменили технологию, добавив наночастицы золота. Это позволило им обнаружить единственную клетку хламидии в тестовом образце.
Впервые расшифрованный геном изолированного в России возбудителя хламидиоза загрузили в базу данных генетической информации GenBank.
В будущем открытие позволит значительно улучшить методы мобильной диагностики как самих возбудителей, так и генетических отличий между ними. Технология также поспособствует развитию биоинформатических исследований, в которых для сравнения и анализа огромных последовательностей ДНК необходима абсолютная точность записанных данных.
По материалам «Amplification of output signal of laser scanning speckle-microscope using gold nanoparticles for detection of Chlamydia trachomatis bacteria». Part 1: theoretical study. O. V. Ulianova, N. N. Filonova, I. A. Subbotina, L. A. Dykman, S. S. Ulyanov, S. S. Zaytsev, Yu. V. Saltykov, A. M. Lyapina, I. G. Grashkina, O. S. Larionova, V. A. Feodorova. Журнал Progress in Biomedical Optics and Imaging — Proceedings of SPIE, август 2019 г.