Na UW powstaje narzędzie przyspieszające opis sekwencji genetycznych bakterii

03.09.2018 4 minuty na przeczytanie artykułu

Artykuł redakcyjny

Nad systemem internetowym, który skróci etap identyfikowania i opisywania funkcji genów bakterii z kilkudziesięciu dni do kilku godzin pracują doktoranci Uniwersytetu Warszawskiego. Z narzędzia będzie mógł skorzystać każdy naukowiec, wykorzystujący w swoich badaniach analizy genetyczne bakterii.

Nad systemem internetowym do szybkiego i dokładnego opisywania sekwencji DNA bakterii pracują: Mikołaj Dziurzyński, Przemysław Decewicz i Adrian Górecki czyli doktoranci z Zakładu Genetyki Bakterii z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Główną zaletą systemu ma być dostarczenie wysokiej jakości informacji zwrotnej w zaledwie kilka godzin – wielokrotnie szybciej w porównaniu ze żmudnymi i zajmującymi do kilkudziesięciu dni ręcznymi analizami sekwencji genomowych bakterii – czytamy w informacji przesłanej przez przedstawicieli projektu naukowego.

Obecnie niemal wszystkie badania nad szczepionkami, lekami czy enzymami rozpoczynają się od sekwencjonowania DNA bakterii, m.in. w ramach tzw. odwrotnej wakcynologii. W nauce powszechnie wykorzystuje się dziś technologię wysokoprzepustowego sekwencjonowania. W efekcie badacze mają dziś do dyspozycji różnego rodzaju bazy, zawierające ogromną liczbę zidentyfikowanych już sekwencji DNA. Nie są jednak w stanie szybko i w sposób wiarygodny przeanalizować dostępnych informacji pod kątem funkcji poszczególnych genów, tym bardziej, że w zawartych w bazach opisach często zdarzają się błędy.

„Jak dotąd nie powstały narzędzia automatyczne, które dostarczałyby w pełni wiarygodnych wyników sekwencjonowania w postaci opisanych funkcji genów. Z kolei ich manualna adnotacja (przypisanie im funkcji – red.) jest bardzo czasochłonna. Na opisanie jednego genomu bakterii trzeba pracować po 8-10 godzin dziennie przez 20 do 30 dni. A trzeba pamiętać, że w tej chwili wielu naukowców analizuje genomy kilkudziesięciu do kilkuset bakterii w ramach jednego projektu. Dzięki wykorzystaniu naszego systemu internetowego potrzebny na to czas można będzie skrócić do zaledwie kilku, maksymalnie kilkunastu godzin. Wstępne wyniki zapytania otrzymamy już w ciągu kilku godzin” – mówi mgr Przemysław Decewicz w Wydziału Biologii UW, cytowany w przesłanym PAP komunikacie.

Cele

„W założeniu systemu chcieliśmy połączyć zalety dostępnych metod analizy danych uzyskiwanych w trakcie sekwencjonowania. Zbudowaliśmy półautomatyczny system ekspercki i obudowaliśmy go bardzo intuicyjnym interfejsem, za pomocą którego czas potrzebny na analizy skraca się z kilku tygodni do zaledwie kilku godzin. W rezultacie jesteśmy w stanie zaoferować całemu światu naukowemu niedrogą, bardzo szybką i intuicyjną przestrzeń do wiarygodnego określania funkcji analizowanych sekwencji DNA” – dodaje mgr Mikołaj Dziurzyński.

W internecie dostępne są ogromne bazy danych zawierające opisane sekwencje DNA. System odwołuje się do tych baz integrując dane, a dodatkowo każdy zwrot informacji z bazy jest analizowany przez eksperta. Udział eksperta pozwala wyeliminować problem trapiący obecnie działające w pełni automatyczne systemy – wysoką podatność na błędy. Dosyć często zdarza się bowiem, że poszczególne sekwencje są w bazach danych opisane niepoprawnie. Informacje takie są następnie powielane w kolejnych badaniach. Udział człowieka w przekazywaniu informacji zwrotnej pozwoli nie tylko upewnić się, że opis genu jest prawidłowy, ale także umożliwi poprawę błędnych informacji w bazie danych.

Twórcy systemu zapowiadają, że w podstawowej wersji rozwiązanie będzie bezpłatne. Wersja pełna będzie komercyjna, z zastosowaniem modelu mikropłatności.

Obsługa rozwiązania jest intuicyjna – zapewniają twórcy. Do rozpoczęcia jego użytkowania nie potrzeba dodatkowych szkoleń. Wystarczy przesłać interesującą sekwencję za pośrednictwem strony internetowej, by po kilku godzinach otrzymać wynik.

Na rynku obecnie są już narzędzia oferujące podobne funkcje. Nie są one jednak dostępne online, ich interfejs jest skomplikowany, a korzystanie z usług wiąże się z koniecznością ponoszenia stosunkowo wysokich opłat. Z kolei decydując się na adnotację manualną, naukowcy muszą korzystać z kilkunastu różnych narzędzi – obsługi każdego z nich muszą się wcześniej nauczyć.

System znajduje się obecnie w fazie testów. W ciągu najbliższych miesięcy, dzięki finansowemu wsparciu uzyskanemu z Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii (UOTT), rozwiązanie będzie rozwijane i zostanie udostępnione światu naukowemu.

„Wkrótce możliwa będzie komercjalizacja powstającego serwisu. Jego skalowalność praktycznie nie ma ograniczeń. Moc obliczeniowa będzie zwiększana odpowiednio do wzrostu zapotrzebowania. Sprawą kluczową na etapie komercjalizacji będzie propagowanie usług w szerokim świecie naukowym, który w swoich badaniach analizuje sekwencje DNA bakterii” – mówi Robert Dwiliński, dyrektor Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii, cytowany w przesłanej informacji prasowej.

Dlaczego właściwie naukowcy analizują DNA bakterii?

Szukają w ten sposób bakterii, które pomogą w rozwiązywaniu ważnych problemów np. zanieczyszczenia środowiska. Na ziemi przybywa obszarów, które z powodu zanieczyszczeń nie mogą być użytkowane. Coraz częściej przywraca się je do stanu pierwotnego przy użyciu bakterii, czyli stosuje biomerediację. Poszukuje się genów, kodujących białka zdolne do rozkładu określonych związków toksycznych. Kiedy znajdzie się odpowiednią sekwencję DNA, można ją przenieść do bakterii, które najlepiej radzą sobie w danym środowisku. Co więcej, geny w bakteriach można kumulować, co pozwala stworzyć dla danego środowiska superbakterię, która szybko i efektywnie pozwoli je oczyścić, a następnie zginie, ponieważ zabraknie jej pożywienia.

„Podobnie jest w przypadku tzw. antygenów. Kiedy mamy do czynienia z bakteriami zagrażającymi życiu człowieka, poszukuje się najbardziej charakterystycznych dla tych bakterii białek. Kiedy uda się odnaleźć geny powiązane z danym białkiem, można zaprojektować celowaną terapię. Opracowany na UW system ma za zadanie znacznie przyspieszać pracę naukowców poszukujących określonych genów w bakteriach” – czytamy w przesłanym komunikacie.

Sekwencjonowanie to technika, która pojawiła się w latach 60-tych XX w. Dekadę po odkryciu DNA opracowano pierwsze techniki jego odczytywania. Z czasem pojawiały się nowe, bardziej precyzyjne i szybsze techniki sekwencjonowania DNA. W 2000 r. zakończony został projekt sekwencjonowania ludzkiego genomu. Kosztował kilka miliardów dolarów i zajął kilka lat. Dzisiaj dzięki pojawieniu się wysokoprzepustowych technologii, koszt sekwencjonowania ludzkiego genomu nie przekracza tysiąca dolarów.

Sekwencjonowanie DNA to obecnie technologia względnie tania i szybka. Żyjemy w erze, w której w krótkim czasie, dzięki wysoko przepustowemu sekwencjonowaniu można uzyskać ogromną liczbę sekwencji. Metoda jest powszechnie dostępna. Same sekwencje nie dostarczają jednak wartościowych informacji. Wąskim gardłem jest analiza sekwencji i opisywanie ich funkcji. Poprawność wyników na tym etapie determinuje sukces dalszych badań. Wyjście ze złych założeń sprawia, że wnioski także są niepoprawne.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl