Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) совместно с зарубежными коллегами разработали сервис по анализу клеточного метаболизма на основе вычислительных алгоритмов. Теперь изучать биохимические реакции можно как на уровне веществ и генов, так и на основе атомов. Благодаря этой разработке медицинские специалисты смогут создавать более индивидуализированные лекарства для лечения рака и аутоиммунных заболеваний. Статья по проекту опубликована в журнале Nucleic Acids Research. 

Метаболизм включает в себя все жизненно важные функции организма от дыхания до восстановления клеток и переваривания пищи. Соответственно, обмен веществ задействует все системы человека, в том числе и иммунную. Всегда было важно поддерживать организм от воздействия различных чужеродных веществ извне — бактерий, вирусов и т. д. Поэтому врачам необходимо проводить детальный анализ метаболических систем, чтобы выявить рак или аутоиммунные заболевания.

Биоинформатики из ИТМО решили модернизировать существующие методы обнаружения «вредных» клеток в организме и совместно с зарубежными учеными разработали веб-сервис, который находит точечные изменения в метаболизме и генах.

«Принцип работы с программой достаточно прост. Исследователь загружает в нее таблицу с данными по метаболитам (простым низкомолекулярным веществам, вовлеченным 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», — рассказал Алексей Сергушичев, директор научно-образовательного центра геномного разнообразия и руководитель фронтирной лаборатории «Вычислительные методы для системной биологии» в ИТМО. 

С помощью новой программы специалисты могут не только получать информацию обо всей метаболической системе, но и углубляться в анализ отдельных участков заражения. Преимущество еще в том, что «машина» сама убирает ненужные фрагменты и оставляет лишь показатели с высокой значимостью.

«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. 

Уже сейчас программа реализуется с положительными результатами. Например, вычислительный сервис нашел связь между болезнью Альцгеймера и генетическими изменениями. В дальнейшем ученые хотят модернизировать программу, чтобы ускорить процесс обработки данных и повысить тем самым эффективность.

Источник inscience