17 July 2023, 23:30

Биотехнологи обнаружили ранее неизвестные повторы в геноме бактерий

Ученые разработали математический алгоритм, позволяющий с высокой точностью находить повторяющиеся элементы в геномах. Авторы протестировали подход на генетических последовательностях девяти видов бактерий, и у всех из них обнаружили ранее неизвестные последовательности. Результаты работы могут помочь находить новые генетические мишени, интересные с точки зрения биотехнологии, например, участки ДНК, воздействие на которые позволит увеличить продуктивность бактериальных штаммов.

Биотехнологи обнаружили ранее неизвестные повторы в геноме бактерий
Source: Sangharsh Lohakare / Unsplash

В геномах многих эукариотических организмов — от дрожжей до человека — встречаются повторяющиеся последовательности из нескольких сотен нуклеотидов, распределенные по всему геному. Все вместе они образуют семейство, которое может иметь значительное число отдельных членов. Число таких семейств, а также расположение и количество повторов в каждом семействе отличается у разных видов, а потому они могут рассказать об эволюции и происхождении различных живых организмов.

Для поиска дисперсных повторов (тех, которые более или менее равномерно распределены по геному) существует множество математических алгоритмов, которые даже позволяют обнаружить «искаженные» копии. Однако подобных изменений в процессе эволюции может накопиться так много, что найти в геноме недостаточно похожие друг на друга последовательности становится невозможно. Важно отметить, что такие семейства повторов были обнаружены ранее только в геномах эукариот, тогда как в геномах бактерий они не известны.

Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН предложили новый метод поиска повторяющихся последовательностей. Принцип его работы можно сравнить с поиском математической матрицы, состоящей из столбцов и строк, которая наилучшим образом описывает семейство повторов. Предложенный алгоритм является оптимальным по точности нахождения «разбросанных» повторов в полном геноме, так как учитывает возможность замен нуклеотидов и их вставок и делеций, то есть мутаций.

Исследователи протестировали алгоритм на искусственно сгенерированных последовательностях, содержащих по тысяче повторов, часть из которых содержала мутации. Сравнение с широко применяемыми в биоинформатике системами поиска показало, что предложенный авторами метод позволяет точнее выявлять повторы одного семейства с большим числом мутаций между ними (вплоть до замены половины нуклеотидов в последовательности). Затем авторы исследования применили алгоритм для поиска повторов в геномах девяти видов бактерий: Escherichia coli, Bacillus subtilis, Azotobacter vinelandii, Clostridium tetani, Methylococcus capsulatus, Mycobacterium tuberculosis, Shigella sonnei, Treponema pallidum и Yersinia pestis.

Анализ позволил ученым впервые выявить у Escherichia coli три семейства повторов длиной 400–600 пар нуклеотидов, которые суммарно занимают практически 50% всего генома бактерии. Ранее у этого микроорганизма были известны подобные элементы только меньшей длины — до 300 пар нуклеотидов — и в значительно меньшем количестве. В генетических последовательностях других бактерий удалось обнаружить 1–2 семейства столь же крупных (400–600 пар нуклеотидов) повторов. При этом меньше всего их оказалось у Treponema pallidum, что может быть связано с маленьким размером генома этого микроорганизма.

«Найденные семейства повторов обнаружены в генах, и они представляют собой определенный код, наложенный на гены поверх триплетного кода, обеспечивающего кодировку генами аминокислотных последовательностей. Причем совершенно неважно, на какой нити ДНК находятся гены. Обнаруженный код может служить основой для сворачивания ДНК в так называемый нуклеоид, который в значительной степени определяет экспрессию генов бактерий, и мы получили сейчас возможность управлять им. Это открывает большие возможности в создании новых полезных для человека микроорганизмов», — рассказывает Евгений Коротков, д.б.н., руководитель группы математического анализа последовательностей ДНК и белков ФИЦ Биотехнологии РАН.

Предложенный учеными подход может использоваться для анализа не только бактериальных геномов, но также генетических последовательностей многоклеточных организмов, например животных и растений. Это может помочь лучше понять эволюцию геномов и отдельных их элементов, а также в случае бактерий найти мишени для создания новых антибиотиков или повышения продуктивности ценных для биотехнологии штаммов.

Source:  Пресс-служба ФИЦ Биотехнологии РАН

News article publications

Read also

Определено, что сульфиды не блокируют бактерии, очищающие сточные воды
Ученые определили, что сульфиды подавляют, но не блокируют окисление аммония бактериями, используемыми для очистки сточных вод. Эксперимент показал, что сульфиды негативно сказываются на жизнедеятельности нитрифицирующих микроорганизмов, но практически не влияют на анаммокс-бактерий. В результате, поскольку и первые, и вторые вовлечены в общий процесс окисления аммония, его эффективность при высоких концентрациях сульфидов снижается только на 17%. Эти данные говорят о возможности использовать бактериальную очистку и для сточных вод, загрязненных сульфидами.
Bacteriology
Genetics
Microbiology
14 December 2023
Микробиота - одна из возможных причин идиопатической ходьбы на носках у детей
Идиопатическая ходьба на носках (отсутствие полного контакта стопы) встречается примерно у 1-5% детей и возможно являться симптомом задержки развития, психоэмоциональных или неврологических расстройств, а также следствием травм. Эта сенсомоторная дисфункция потенциально может возникнуть из-за несбалансированной выработки нейротрансмиттеров - посредников передачи импульса между нейронами и от нейронов к мышечной ткани, которые играют решающую роль в двигательном контроле. Ученые МФТИ, кафедры ортопедии РУДН и Института белка РАН провели детальный анализ научных исследований, посвященных данной патологии, и вывели теоретическое обоснование взаимосвязи нарушения выработки нейромедиаторов с дисбалансом метаболитов кишечной микробиоты.
Genetics
Microbiology
Neuroscience
2 November 2023
Изучены ключевые микробные сообщества для производства вин типа херес
Виноделы работают с огромным разнообразием микроорганизмов (дрожжей и бактерий), которые играют важную роль в технологии изготовления вин, влияя на их качество и безопасность. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН исследовали совместный геном (метагеном) дрожжей и других микроорганизмов, которые были обнаружены в дрожжевой пленке при изготовлении российских хересных вин, чтобы проверить стабильность производственных штаммов дрожжей.
Genetics
Genomics
Microbiology
31 October 2023
Разработана единая платформа для данных о работе генов
Ученые МФТИ разработали единую платформу Shambhala, объединяющую данные разных платформ моделей экспрессии генов человека при сохранении их биологических свойств. Эти данные широко используются в функциональной геномике и молекулярной медицине. Стандартизация профилей открывает возможности для всестороннего сравнения характеристик, связанных с заболеваниями и разработкой новых вакцин и лекарств.
Bioinformatics
Data analysis
Genetics
24 September 2023
Предложена «светящаяся» золотая краска для обнаружения бактериальных биопленок
Новый подход, разработанный учеными, позволит выявить развитие опасных бактерий на медицинских изделиях и устройствах на ранней стадии и вовремя предотвратить его
Biosensorics
Microbiology
New techniques
7 August 2023
Биологи нашли потенциальные мишени для персонифицированной терапии глиомы
Отдельные виды глиом требуют специализированных препаратов, нацеленных на обмен веществ и двигательную активность клеток — в дополнение к традиционным средствам, разрушающим структуры хромосом
Bioinformatics
Genetics
Oncology
19 April 2023