Лаборатория математической биологии и биоинформатики

Научные интересы

• Метагеномные проекты, включающие в себя изучение популяционного состава и метаболическую реконструкцию микробиоценозов, в том числе особенностей сим-бионтно-паразитарной колонизации различных отделов организма человека
• Геномика прокариот (изучение эволюции прокариот, анализ резистома, изучение механизмов горизонтального переноса генов)
• Метаболомика человека и бактерий
• Исследование взаимодействия бактерий между собой и с организмом хозяина
• Взаимодействие бактериофагов с бактерией-хозяином
• Алгоритмическая биоинформатика
• Исследование сообществ грибковых микроорганизмов
• Анализ данных нанопорового секвенирования
• Геномная эпидемиология SARS-CoV-2

Направления исследований

Вариабельность резистома биотопов человека и выяснение закономерностей распространения антибиотикорезистентности с последующей разработкой средств ее быстрого обнаружения

Возникновение патогенных бактерий с множественной лекарственной устойчивостью снижает эффективность профилактики и лечения инфекционно-воспалительных заболеваний человека в местах оказания медицинской помощи. Надо отметить, что антибиотикорезистентность приобретается бактериальной флорой не только за счет мутационного процесса хромосомной ДНК, но и за счет горизонтального переноса генов как от бактерий того же вида, так и относящимся к другим таксонам с помощью мобильных элементов – плазмид, транспозонов, фагов. С целью разработки новых инновационных подходов мониторинга возникновения и распространения антибиотикорезистентности принята нулевая гипотеза о микробиоте кишечника как природном резервуаре генов антибиотикорезистентности, где они накапливаются в популяции бактерий-комменсалов, могут передаваться потенциальным возбудителям инфекционных заболеваний человека и закрепляться в популяции последних под действием антибиотикотерапии. Несмотря на очевидную логику, необходимо получить прямые неоспоримые доказательства этой гипотезы и раскрыть механизмы и векторы распространения генов антибиотикорезистентности, чтобы можно было контролировать и своевременно прерывать эти процессы.

Целью выполняемого на базе лаборатории государственного задания является выяснение закономерностей, способствующих/препятствующих распространению резистентности к антибиотикам, на основании метагеномного анализа вариабельности резистома основных биотопов человека с последующей разработкой средств быстрой детекции антибиотикорезистентности для своевременного пресечения эпидемических цепочек.

Метагеномный анализ респираторного биотопа человека на фоне пандемической коронавирусной инфекции и в последующей сезонной динамике (грант РНФ № 21-15-00431)

Основная идея представляемого проекта заключается в исследовании связи между составом респираторного биотопа и последствиями инфицирования пандемическим коронавирусом SARS-CoV-2. Се-зонные варианты коронавирусов циркулируют в популяции человека, вызывая, как правило, не угрожающие жизни кишечные и респираторные заболевания. Однако за последние 20 лет три коронавируса: SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV-2 – проявили себя как серьезная угроза здоровью населения плане-ты. При этом, если вспышки SARS и MERS носили локальный характер, эпидемия SARS-CoV-2 захватила все страны мира.

Один и тот же патогенный агент может иметь различную контагиозность (вероятность инфицирования) и провоцировать различное течение инфекционного процесса. Вирусные и бактериальные инфекционные агенты циркулируют в популяции круглогодично, но для многих из них наблюдается сезонное увеличение распространенности. Эффект сезонности наблюдается во множестве географических зон, включая РФ. Для ряда вирусов описано явление интерференции, при котором инфицирование одним вирусом приводит к изменению вероятности инфицирования некоторыми другими вирусами. Влияние на вероятность развития вирусной инфекции также может оказывать и бактериальное сообщество респираторного тракта.

На данный момент мало известно о закономерностях изменчивости респираторного биотопа на фоне SARS-CoV-2 инфекции. Не известно, как различные генетические варианты SARS-CoV-2 ассоциированы с представителями бактериальной и вирусной флоры и как перестраивается респираторное сообщество после элиминации вируса. Не накоплена информация о связи между инфекциями, вызванными различными агентами (вирусы и бактерии) и вероятностью инфицирования вирусом SARS-CoV-2. Также остается малоизученной связь состава респираторного биотопа с вероятностью развития вторичных инфекций. Получение ответов на эти вопросы весьма ценно с точки зрения обогащения мирового научного знания и актуально, имея в виду неизбежность прихода новых волн эпидемии.

Исследование закономерностей формирования антибиотикорезистентности бактериальной флорой при осложненном течении новой коронавирусной инфекции, вызываемой вирусом SARS-CoV-2 (договор о выполнение НИР с МГМСУ им. А.И. Евдокимова)

Осложненное течение новой коронавирусной инфекции, вызванной SARS-CoV-2, как правило, вызывают сопутствующие бактериальные инфекции, которые могут определять клинический исход. Часть вторичных инфекций вызывают микроорганизмы, попадающие в легкие из верхних дыхательных путей. Целью проводимого исследования является выявление особенностей таксономического состава микробиоты полости рта, верхней дыхательных путей у пациентов с COVID-19 с различной степенью тяжести заболевания на фоне антибиотикотерапии и дополнительной гигиены полости рта.

Научный багаж

За последние пять лет коллектив лаборатории принимал участие в реализации следующих проектов:

• Грант РФФИ 16-54-21012 «Выявление роли вирома в распространении антибиотикорезистентности с помощью мета-анализа микробиомов человека» (2016–2019)
• Грант РФФИ 19-34-80033 «Изучение характерных особенностей вирома кишечника долгожителей» (2019–2020)
• Грант Минобрнауки: Соглашение № 05.604.21.0215 от 26.11.19. «Разработка метода оценки метагеномных маркеров микробиоты кишечника человека, ассоциированных с ответом на иммунотерапию рака» (2019–2020)
• Госконтракт «Исследование и разработка методики трансплантации кишечных бактерий и бактериофагов для коррекции иммунной системы и оптимизации микробиома у спортсменов в периоды физических и стрессорных нагрузок различной направленности» (шифр «Биом-19») (2019)
• Госзадание «Оценка вклада хронических заболеваний матери в динамику изменения биораз-нообразия микробиоты кишечника недоношенных детей в первые недели жизни» (Шифр «Младенцы») (2019–2020)

В качестве соисполнителей коллектив лаборатории принимал участие в реализации следующих проектов:

• Грант РФФИ 19-34-80033 «Изучение характерных особенностей вирома кишечника долгожителей”»
• Грант РФФИ 19-015-00385 совместно с ИМБ РАН «Роль бактериофагов лактобактерий в вагинальном микробиоме»
• Грант РНФ 16-15-00258 «E. coli как мишень терапии при болезни Крона».
• Госзадание «Определение генетических маркеров энергообеспечения центральной нервной системы» Шифр «Эксплуатация-3-ФХМ-3».
• Грант 18-04-01203, “Эволюция пластомов у растений подсем. Allioideae, адаптировавшихся к обитанию в различных экологических нишах.”
• Грант 20-04-60561, “Распространение и генетическое разнообразие коронавирусов у летучих мышей, обитающих на территории Москвы, Московской области, Центрально-Черноземного региона и Южного федерального округа”

Публикации

Krivonos DV, Konanov DN, Ilina EN. FunFun: ITS-based functional annotator of fungal communities. Ecol Evol. 2023,13(3):e9874. doi.org/10.1002/ece3.9874.

Старикова ЕВ, Галеева ЮС, Андреев ДН, Соколов ФС, Федоров ДЕ, Манолов АИ, Павленко АВ, Климина КМ, Веселовский ВА, Заборовский АВ, Евдокимов ВВ, Андреев НГ, Девкота МК, Фоменко АК, Харьковский ВА, Асадулин ПО, Кучер СА, Черемушкина АС, Янушевич ОО, Маев ИВ, Крихели НИ, Левченко ОВ, Ильина ЕН, Говорун ВМ. Состав микробиоты ротоглотки у пациентов с пневмонией различной степени, вызванной мвирусом SARS-CoV-2. Тер. архив. 2022, 94 (2). doi.org/10.26442/00403660.2022.08.201780

Konanov D.N., Krivonos D.V., Ilina E.N. & Babenko V.V. (2022). BioCAT: search for biosynthetic gene clusters producing nonribosomal peptides with known structure. Computational and Structural Biotechnology Journal. doi: 10.1016/j.csbj.2022.02.013

Konanov D.N., Zakharzhevskaya N.B., Kardonsky D.A., Zhgun E.S., Kislun Y.V., Silantyev A.S., ... & Ilina E.N. (2022). UniqPy: a tool for estimation of short-chain fatty acids composition by gas-chromatography/mass-spectrometry with headspace extraction. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 114681. doi: 10.1016/j.jpba.2022.114681

Dedkov V.G., Dolgova A.S., Safonova M.V., Samoilov A.E., Belova O.A., Kholodilov I.S., ... & Karganova G.G. (2021). Isolation and characterization of Wad Medani virus obtained in the Tuva Republic of Russia. Ticks and Tick-borne Diseases, 12(2), 101612.

Scobeyeva V.A., Artyushin I.V., Krinitsina A.A., Nikitin P.A., Antipin M.I., Kuptsov S.V., ... & Speranskaya A.S. (2021). Gene loss, pseudogenization in plastomes of genus Allium (Amaryllidaceae), and putative selection for adaptation to environmental conditions. Frontiers in Genetics, 1213.

Samoilov A.E., Kaptelova V.V., Bukharina A.Y., Shipulina O.Y., Korneenko E.V., Saenko S.S., ... & Akimkin V.G. (2021). Case report: change of dominant strain during dual SARS-CoV-2 infection. BMC Infectious Diseases, 21(1), 1-8.

Starikova E.V., Tikhonova P.O., Prianichnikov N.A., Rands C.M., Zdobnov E.M., Ilina E.N., Govorun V.M.(2020) Phigaro: high throughput prophage sequence annotation Bioinformatics, Vol. 36, Issue 12, 15 June 2020, pp. 3882–3884, doi: 10.1093/bioinformatics/btaa250

Manolov A., Konanov D., Fedorov D., Osmolovsky I., Vereshchagin R. & Ilina E. (2020). Genome Complexity Browser: Visualization and quantification of genome variability. PLoS Computational Biology, 16(10), e1008222. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008222

Olekhnovich E.I., Manolov A.I., Pavlenko A.V., Konanov D.N., Fedorov D.E., Tikhonova P.O., Glushchenko O.E., Ilina E.N. (2020) Intestinal microbiom modulates the response to antitumor immunotherapy” Biomedical Chemistry, 2020. 66(1), 54-63 doi: 10.18097/PBMC20206601054

Shelenkov A., Mikhaylova Y., Yanushevich Y., Samoilov A., Petrova L., Fomina, V. ... & Akimkin V. (2020). Molecular typing, characterization of antimicrobial resistance, virulence profiling and analysis of whole-genome sequence of clinical Klebsiella pneumoniae isolates. Antibiotics, 9(5), 261.

Fedorov D.E., Olekhnovich E.I., Pavlenko A.V., Klimina K.M., Pokataev I.A., Manolov A.I. ... & Ilina E.N. (2020). Intestinal microbiome as a predictor of the anti-PD-1 therapy success: metagenomic data analysis. Biomeditsinskaia Khimiia, 66(6), 502-507. doi: https://doi.org/10.18097/pbmc20206606502

Babenko V.V., Millard A., Kulikov E.E., Spasskaya N.N., Letarova M.A., Konanov D.N. ... & Letarov A.V. (2020). The ecogenomics of dsDNA bacteriophages in feces of stabled and feral horses. Computational and Structural Biotechnology Journal, 18, 3457-3467. doi: https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.10.036

Kashtanova D.A., Klimenko N.S., Strazhesko I.D., Starikova E.V., Glushchenko O.E., Gudkov D.A. & Tkacheva O.N. (2020). A cross-sectional study of the gut microbiota composition in Moscow Long-Livers. Microorganisms, 8(8), 1162. doi: 10.3390/microorganisms8081162

Glushchenko O.E., Prianichnikov N.A., Olekhnovich E.I., Manolov A.I., Tyakht A.V., Starikova E.V., Odintsova V.O., Kostryukova E.S., Ilina E.I. VERA: agent-based modeling transmission of antibiotic resistance between human pathogens and gut microbiota, Bioinformatics, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btz154

Tyakht A.V., Manolov A.I., Kanygina A.V., Ischenko D.S., Kovarsky B.A., Popenko A.S., Pavlenko A.V, Elizarova A.V., Rakitina D.V., Baikova J.P., Ladygina, V. G., Kostryukova E.S., Karpova I.Y. Semashko T.A., Larin A.K., Grigoryeva T.V., Sinyagina M.N., Malanin S.Y., Scherbakov P.L., Kharitonova A.Y., Khalif I.L., Shapina M.V., Maev I.V., Andreev D.N., Belousova E.A., Buzunova Y.M., Alexeev D.G., Govorun V.M. (2018). Genetic diversity of Escherichia coli in gut microbiota of patients with Crohn’s disease discovered using metagenomic and genomic analyses. BMC Genomics, 19(1), 968.

Rands C.M., Starikova E.V., Brüssow H., Kriventseva E.V., Govorun V.M. & Zdobnov E.M. (2018). ACI‐1 beta‐lactamase is widespread across human gut microbiomes in Negativicutes due to transposons harboured by tailed prophages. Environmental Microbiology, 20(6), 2288-2300. https://doi.org/10.1111/1462-2920.14276

Terekhov S.S., Smirnov I.V., Malakhova M.V., Samoilov A.E., Manolov A.I., Nazarov A.S. ... & Altman S. (2018). Ultrahigh-throughput functional profiling of microbiota communities. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(38), 9551-9556.

Bespyatykh J., Shitikov E., Bespiatykh, D., Guliaev, A., Klimina, K., Veselovsky, V., ... & Govorun, V. (2020). Metabolic changes of Mycobacterium tuberculosis during the anti-tuberculosis therapy. Pathogens, 9(2), 131.

Goloshchapov O.V., Olekhnovich E.I., Sidorenko S.V., Moiseev I.S., Kucher M.A., Fedorov D.E. ... & Afanasyev B.V. (2019). Long-term impact of fecal transplantation in healthy volunteers. BMC Microbiology, 19(1), 1-13.

Kornienko M., Kuptsov N., Gorodnichev R., Bespiatykh D., Guliaev, A, Letarova M. ... & Shitikov E. (2020). Contribution of Podoviridae and Myoviridae bacteriophages to the effectiveness of anti-staphylococcal therapeutic cocktails. Scientific Reports, 10(1), 1-11.

Olekhnovich E.I., Manolov A.I., Samoilov A.E., Prianichnikov N.A., Malakhova M.V., Tyakht A.V. ... & Ilina E.N. (2019). Shifts in the human gut microbiota structure caused by quadruple Helicobacter pylori eradication therapy. Frontiers in Microbiology, 1902.

Babenko V.V., Podgorny O.V., Manuvera V.A., Kasianov A.S., Manolov A.I., Grafskaia E.N. ... & Lazarev V. N. (2020). Draft genome sequences of Hirudo medicinalis and salivary transcriptome of three closely related medicinal leeches. BMC Genomics, 21(1), 1-16.

Olekhnovich E.I., Ivanov A.B., Ulyantsev V.I. & Ilina E.N. (2021). Separation of donor and recipient microbial diversity allows determination of taxonomic and functional features of gut microbiota restructuring following fecal transplantation. MSystems, 6(4), e00811-21.