Поиск новых патогенов

Разработка алгоритмов для выявления новых, уникальных последовательностей ДНК или РНК в метагеномах и их фенотипическая характеристика

В XXI веке человечество столкнулось с различными биологическими угрозами, обусловленными повышающимся уровнем технических возможностей научных лабораторий, производственных мощностей биотехнологических производств, изменением ареалов обитания животных (источников зоонозных инфекций) вследствие меняющегося климата и землепользования.

Современные методы биотехнологии и геномного редактирования предоставляют человечеству возможность создания микроорганизмов с заданными свойствами, в том числе такими, которые создают угрозу для здоровья для человека, следовательно, и для биобезопасности страны. Своевременное выявление подобных микроорганизмов, равно как и адекватная оценка принципиальной технической возможности их создания, входит в список приоритетных задач лабораторий, занимающихся проблемами биологической безопасности.

В России ежегодно регистрируют до 30 000 заболеваний, вызванных зоонозными инфекциями, что подразумевает большие затраты на медицинское лечение и противоэпидемические мероприятия. Согласно оценкам ВОЗ, животные являются источником примерно 70% новых или возвращающихся возбудителей болезней в разных странах мира. Глобальные климатические изменения приводят к миграции животных, тем самым повышая риск передачи новых патогенов человеку по всему Миру, в том числе, на территории Российской Федерации. Вероятность успешного предупреждения системами здравоохранения/санитарными службами разных стран возможных вспышек новых заболеваний напрямую зависит от того, насколько хорошо известны и охарактеризованы естественные резервуары вирусов, их близость к человеческому жилью, а также промежуточные хозяева и реалистичная оценка возможных событий, в результате которых вирус может быть передан человеку.

Широко распространенные, внедрённые в повседневную практику клинико-диагностические лабораторий методы (такие как как ПЦР, иммуноферментный анализ) позволяют достаточно просто и недорого выявлять патогены, для которых известны последовательности геномов, изучены свойства белков, проанализированы механизмы патогенеза.

Однако выявление в биологическом материале новых, ранее не изученных патогенных агентов, а также известных патогенов, но обладающих повышенными вирулентными свойствами, в том числе, расшифровка последовательностей их геномов, определение физиологических особенностей, оценка эпидемического потенциала, по-прежнему, представляют собой серьезный вызов современной науке.

Основные задачи

Благодаря методам высокопроизводительного секвенирования, получившим широкое распространение в последнее десятилетие, в результате многочисленных разноплановых экспериментов, человечеством накоплено большое количество генетической информации, представленной в международных или национальных базах данных. Частично эта информация обработана авторами и реализована в виде публикаций. Однако скорость разработки вычислительных алгоритмов, позволяющих экстрагировать целевую информацию из накапливаемого массива «сырых» данных секвенирования, ожидаемо отстает от процесса их генерации (при этом, скорость накопления генетической информации неуклонно растет). Несомненно, в данных секвенирования широкого спектра биологических и клинических образцов, уже полученных различными лабораториями по всему Миру, содержится большое количество неявной информации о патогенах и ее извлечение является актуальной задачей, которая может быть решена с привлечением методов биоинформатики. Поэтому одной из целей работ НИИ СБМ является создание алгоритмов выявления геномных последовательностей патогенов организмов с использованием современных вычислительных технологий.

На первом этапе планируется разработать способы идентификации новых, ранее не описанных в научной литературе биологических агентов (бактерий, вирусов) в данных, полученных в результаты секвенирования нуклеиновых кислот (ДНК/РНК), выделенной из биологических образцов, представляющих собой фекалии или назофарингеальные мазки человека либо млекопитающих, являющихся резервуарами зоонозных инфекций. Для исследования будет использована информация о сырых данных секвенирования, находящихся в открытом доступе в GenBank (SRA), также как собственные данные коллектива, накопленные в ходе реализации многочисленных проектов. Результатами работы будут вычислительные инструменты для комплексного анализа «сырых» данных геномного секвенирования, с помощью которых можно будет идентифицировать последовательности, представляющие фрагменты геномов потенциально патогенных биологических агентов.

Наряду с разработкой новых алгоритмов, важной частью данного направления исследований является получение новой генетической информации об известных или ранее не изученных патогенах человека. Методами высокопроизводительного секвенирования планируется проводить генетические исследования биологических образцов, полученных от животных, которые являются общепризнанными, а также предполагаемыми природными резервуарами зоонозных инфекций.

Для оценки патогенности выявленных агентов будут использованы современные in silico инструменты, а также биоинженерные конструкции (штаммы и клеточные линии), полученные методом генетического редактирования, для in vitro верификации на клеточных линиях.

Основные задачи

• Будут созданы вычислительные инструменты (биоинформатические алгоритмы) для комплексного анализа «сырых» данных геномного секвенирования с помощью которых можно будет идентифицировать последовательности, представляющие фрагменты геномов потенциально патогенных биологических агентов.

• Будут разработаны новые методы подготовки биологического материала для определения последовательностей полных геномов или наиболее информативных участков геномов для таксономический идентификации выявленных микроорганизмов/вирусов.

• Будут разработаны алгоритмы дифференциации новых потенциально патогенных микроорганизмов/вирусов методами молекулярной лабораторной диагностики

• Будут созданы методические рекомендации по выявлению очагов персистенции и по осуществлению контроля за распространением по территории страны выявленных потенциально патогенных штаммов.