Развитие генетики и биоинформатики дает возможность ученым все глубже заглянуть в тайны природы. Данные о генах того или иного вида позволяют судить о его эволюции, истории, состоянии популяции. Однако для того, чтобы получить эту информацию, надо провести кропотливую работу по секвенированию и расшифровке генома.
Сегодня этим занимаются многие исследователи по всему миру. В первую очередь расшифровывались геномы крупных, хорошо знакомых людям животных вроде обезьян, кошачьих, китообразных. Однако сегодня ученые обратили свой взор на тех животных, которые ранее были обделены их вниманием.
«Большинство ученых секвенируют геном человека, есть группы, которые занимаются позвоночными, — рассказывает ведущий научный сотрудник института SCAMT Университета ИТМО Алексей Комиссаров. — Есть ряд исследователей, которым интересно изучать беспозвоночных, которые живут в океане. Вообще, если кто-то когда-то плавал с маской в тех регионах, где вода прозрачная, то он видел, что на дне просто другая вселенная. Там не только рыбы, кораллы, моллюски — огромное количество видов, о которых почти ничего не известно».
Одним из таких малоизученных типов морских обитателей является мшанка — беспозвоночное, внешне похожее на растение. Во второй половине XX века это животное привлекло большое внимание ученых, так как из него выделили бриостатин — вещество, позволяющее влиять на жизнедеятельность клеток. Сегодня ведется активная работа по созданию лекарств на его основе.
«Мшанок часто путают с растениями, на которые они внешне похожи, — рассказывает студентка 2 курса Университета ИТМО Полина Кучур. — Они обитают в прибрежной зоне на глубинах до 200-300 метров. Если посмотреть на берег — это такие "усы", которые облепляют скалистые берега и портовые конструкции. Особенность их состоит в том, что это колониальный, можно сказать, модульный организм. То есть внутри одиночного, как нам кажется, объекта есть отдельные особи, каждая из которых выполняет определенную функцию: размножение, питание, прикрепление к поверхности».
Трудности расшифровки
Несмотря на то, что мшанок можно потенциально использовать для получения ценного бриостатина, до 2020 года ни одна исследовательская группа не опубликовала полной расшифровки генома представителей этого типа животных. В этой связи международная коллаборация, в которую вошли сотрудники Университета ИТМО, СПбГУ и их коллеги из Университета Нова Саутистерн (США), начала работу по секвенированию и расшифровке генома одного из видов мшанки.
Однако при работе исследователи столкнулись с целым рядом сложностей, обусловленных биологией мшанок. Например, из-за сравнительно небольшого размера не так просто собрать достаточное количество генетического материала для секвенирования и расшифровки. Также сложность состоит в колониальной организации ― то, что нам представляется единым организмом, является большим конгломератом отдельных особей. Поэтому ученые вынуждены делать секвенирование не отдельных организмов, а сразу группы.
«Если мы делаем секвенирование человеческого генома, то мы забираем кровь, в этом образце будет только один геном, — объясняет Алексей Комиссаров. — Здесь же их будет много, а ведь у каждой особи есть небольшие отличия, которые создают дополнительный "шум" в ходе исследования. Кроме того, мимо мшанок плавают рыбы, в них живут бактерии, у них есть симбионты. В результате мы получаем геном не только мшанок, но и всего этого огромного биологического разнообразия, обитающего рядом с ними».
В результате ученым пришлось отдельно искать в данных те, которые относятся именно к их объекту исследования.
«Для этого существует ряд биоинформатических программ, — объясняет Полина Кучур. — На первом этапе мы пытаемся проаннотировать все данные, которые у нас имеются, после чего отобрать гены рыб, бактерий, мшанок. В результате к мшанкам относилось только около трети наших данных».
По нехоженым тропам
Однако на этом сложности не заканчивались. Поскольку раньше генетические данные о мшанках практически не публиковались, ученым было не с чем сравнить свои результаты. Кроме того, мшанки находятся далеко на эволюционном древе от большинства других животных, поэтому исследователям даже не с чем было провести аналогию.
«Когда мы собираем геном, мы всегда хотим сравнить его с чем-то известным. А тут оказывается, что рядом у нас ничего нет, — рассказывает Алексей Комиссаров. — Возникает проблема с аннотацией неизвестного. Те гены, которые нам неизвестны — что это? Это новый ген или шум, или алгоритм неправильно сработал? Предсказание гена — это вероятностный алгоритм, который может иногда ошибаться».
Наконец, была и еще одна сложность. Совместная команда из Флориды и Санкт-Петербурга была вовсе не единственной, занимающейся расшифровкой генома мшанок. Одновременно эту же работу вели по меньшей мере пять команд, которые фактически находились в состоянии соревнования друг с другом — кто раньше представит публикацию. В результате первыми работу опубликовать смогли именно специалисты из ИТМО и Нова Саутистерн.
Расшифровка генома мшанок позволит ускорить работу по изучению бриостатина. Кроме того, изучение мшанок имеет и другое практическое применение ― исследователей давно интересует вопрос, как эти существа прикрепляются к поверхностям скал, камней, кораблей и пирсов.
Понимание этого процесса может помочь, с одной стороны, созданию новых биоактивных материалов для медицины, а с другой ― разработке сплавов для кораблей и платформ, которые не позволяли бы конструкциям «обрастать» мшанками.
Биоинформатиков теперь ждет кропотливая работа по анализу того разнообразия, которое им удалось найти в «зарослях» мшанок.
Работа опубликована в журнале Scientific Data.
Статья: Mikhail Rayko, Aleksey Komissarov, Jason C. Kwan, Grace Lim-Fong, Adelaide C. Rhodes, Sergey Kliver, Polina Kuchur, Stephen J. O’Brien, Jose V. Lopez. Draft genome of Bugula neritina, a colonial animal packing powerful symbionts and potential medicines. Scientific Data, 2020/10.6084/m9.figshare.12988355
