В ИТМО разработали сервис для анализа биохимических реакций в клетках на уровне атомов

Статья по проекту опубликована в журнале Nucleic Acids Research. Метаболизм в клетках играет важную роль в регуляции многих биологических процессов, в том числе работы иммунной системы. Глубинное изучение метаболизма помогает лучше понять, как в живых организмах протекают аутоиммунные заболевания или развивается рак, а также создавать новые методы лечения этих болезней.

Однако существующие решения позволяют разобрать лишь ограниченный набор стандартных химических реакций. Для нетривиальных задач — например, для анализа сбоев и «поломок» в клеточном метаболизме — нужны более сложные программные продукты. Кроме того, необходимы инструменты, которые смогут представлять детальную информацию не только о метаболическом пути в целом, но и об его отдельно взятых участках.

Работа над новым решением началась еще в 2016 году — тогда ученым из ИТМО совместно с зарубежными коллегами удалось разработать веб-сервис, который обнаруживает связи между изменениями в метаболизме и генах. Сейчас это уже полноценная программа, которую можно установить на компьютер.

«Принцип работы с программой достаточно простой. Исследователь загружает в нее таблицу с данными по метаболитам (простые низкомолекулярные вещества, вовлеченные в обмен веществ) и активности генов, например, раковой клетки. Программа сравнивает эти данные с базами KEGG и Rhea, в которых описаны большинство биологических процессов в стандартном состоянии. Результат выдается в виде некой карты, графа, где наглядно представлен путь превращения веществ и видны связи между ними.

Вершины этого графа — вещества, линии между ними (“ребра”) — реакции. Причем алгоритм сам выделяет цветом те метаболиты и кодирующие их гены, на которые нужно обратить внимание. На это все уходит около минуты», – рассказывает Алексей Сергушичев, директор научно-образовательного центра геномного разнообразия и руководитель фронтирной лаборатории «Вычислительные методы для системной биологии» в ИТМО.

За последние несколько лет функционал сервиса расширился — он теперь умеет анализировать биохимические реакции не только на уровне веществ, но и на уровне атомов. Это позволяет лучше структурировать граф и облегчает интерпретацию результатов. Однако в графе с превращениями отдельных атомов усложняется поиск подграфов с наиболее выраженными изменениями, ведь атомы могут встречаться сразу в нескольких веществах, а, значит, количество рассматриваемых реакций увеличивается в несколько раз. Ученым удалось решить и эту проблему — сервис сам убирает ненужные повторы и оставляет лишь «ребра» и вершины с положительным весом, то есть высоким показателем значимости.

«Еще одно важное обновление — возможность работать с липидомными данными (информацией о жирах и их производных). Изучая их, можно, например, узнать, как устроены разные отделы головного мозга, где разнообразие жирового состава играет большую роль. Липидомика — относительно новое, но активно развивающееся направление, и программ, которые умеют анализировать метаболические липидные процессы, практически нет. Однако реакции с липидами уже хорошо описаны в базе Rhea — теперь она также является частью алгоритма GATOM», — объяснила Мария Емельянова, первый автор статьи, программист научно-образовательного центра геномного разнообразия ИТМО.

Благодаря разработанному вычислительному методу авторы уже смогли связать развитие болезни Альцгеймера с «поломкой» в гене TREM2 и показали, что снизить темпы роста опухоли можно за счет замедления определенных процессов метаболизма в раковых клетках. В дальнейших планах ученых — добавить новые базы данных с реакциями, а также повысить эффективность и скорость работы с алгоритмами. Исследование реализовано в рамках программы «Приоритет 2030» Минобрнауки России. 

Университет ИТМО

31 статей

Университет ИТМО (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.

Показать больше