ПО со штаммом: новый инструмент поможет «программировать» свойства бактерий

Ученые разработали программу, которая автоматически анализирует особенности обмена веществ у бактерий. Инструмент позволяет быстро определить, какие полезные вещества, например витамины, способны синтезировать микроорганизмы, что помогает оценить потенциал тех или иных видов для биотехнологий. ПО планируют применять при поиске штаммов, которые можно использовать в качестве пробиотиков и других биодобавок. Также она позволит делать кисломолочную продукцию с заданными полезными свойствами, рассказали «Известиям» эксперты по биотехнологии.

ПО для поиска полезных штаммов

Ученые из Донского государственного технического университета, Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова и Вагенингенского университета (Нидерланды) разработали инструмент KEGGaNOG, который поможет специалистам быстро оценивать метаболические возможности бактерий. По словам исследователей, микроорганизмы широко используются в биотехнологиях для производства витаминов, антибиотиков, ценных для медицины и химии ферментов и многих других веществ. Кроме того, некоторые из них входят в состав препаратов-пробиотиков, которые улучшают пищеварение и укрепляют иммунитет.

Чтобы понять, насколько полезен для человека тот или иной вид бактерий, нужно расшифровать его геном, поскольку способность синтезировать полезные соединения определяется наличием соответствующих генов. Однако синтез большинства таких веществ, например витаминов, включает несколько стадий, поэтому ученым приходится сначала искать целый ряд разных генов, для каждого из них определять функцию, после чего составлять схему метаболических путей (цепочек химических превращений в рамках обмена веществ), в которых они задействованы. Когда нужно проанализировать сотни видов бактерий, этот процесс оказывается крайне долгим и трудоемким.

— Мы начали разработку этого инструмента, когда столкнулись с трудностями в быстром и воспроизводимом анализе кишечных микробных сообществ летучих мышей. Именно это подтолкнуло нас на создание удобного метода анализа геномов и метагеномов бактерий, — рассказал «Известиям» научный сотрудник Донского государственного технического университета Игорь Попов.

Фото: Игорь Попов Игорь Попов за работой

KEGGaNOG выступает связующим звеном между двумя широко используемыми генетиками и биотехнологами программами — eggNOG-mapper и KEGG-Decoder. Первая позволяет по любой генетической последовательности определить функции всех имеющихся в ней генов. Авторы работы сделали так, чтобы файл с данными из этой программы автоматически загружался в новую, который в свою очередь извлекает из него коды, соответствующие определенным генам или биохимическим реакциям. Затем разработанное ПО передает эти коды в KEGG-Decoder, который вычисляет, насколько полно в геноме представлены различные метаболические пути.

Полученные данные программа визуализирует — создает тепловые карты, диаграммы и графы, наглядно показывающие, какие звенья клеточного метаболизма у исследуемого организма работают в полном составе, а какие отсутствуют.

Исследователи протестировали инструмент на геномах 11 бактерий, среди которых были бифидо- и лактобактерии, используемые в качестве пробиотиков в молочной продукции. Инструмент не только подтвердил уже известные метаболические особенности этих штаммов, но и показал различия между ними. Этот инструмент позволит быстро понять, какие штаммы лучше всего подходят для производства определенных витаминов и других полезных соединений. В микробной экологии программа поможет точнее определять роль микроорганизмов в круговороте веществ и взаимодействиях в экосистемах.

— Предложенный инструмент позволяет превратить генетические последовательности в информативную картину метаболического потенциала бактерий. Благодаря этому специалисты, проделав всего несколько простых операций, смогут получить готовую визуализацию и понять, какой штамм эффективнее производит интересующее соединение, — рассказал «Известиям» аспирант и младший научный сотрудник Донского государственного технического университета Илья Попов.

«Умные» кисломолочные продукты

Классический анализ геномов, метагеномов бактерий и их метаболических путей — очень сложный и трудоемкий процесс. Разработанный инструмент способен существенно сократить объем и время, а самое главное — стоимость начальных исследований, рассказал «Известиям» основатель клуба Biotech и эксперт «Точки кипения Омск», эксперт НТИ, директор технологической компании BruttoNetto Владимир Жуков.

— Данный инструмент может быть применим на стадии проектирования функционального пищевого, лечебного или фармацевтического продукта. Используя программу, можно создать технологический продукт, не копируя, а обгоняя конкурентов. Но важно помнить: это не отменяет необходимости проведения стандартных микробиологических и биохимических исследований, — сказал эксперт.

Фото: Игорь Попов Проведение биоинформатического анализа

Предложенный инструмент словно навигатор в мире бактерий, показывающий ученым, куда ведут их скрытые и не всегда очевидные метаболические пути, прокомментировала разработку молекулярный биолог Арина Холькина. Теперь вместо долгих и запутанных поисков исследователи за пару минут видят, какие вещества способна производить каждая бактерия — витамины, аминокислоты или другие метаболиты, влияющие на организм человека.

— Этот инструмент открывает новые горизонты не только для биотехнологии, медицины и фармацевтики, но и для пищевой индустрии: производители пробиотиков и живых йогуртов наконец могут точно понять, какие штаммы действительно работают, а какие не приносят результата,— сказала эксперт.

Разработка дает возможность для перехода от общих представлений о пользе пробиотиков к точным, измеримым параметрам, сказал основатель цифровой платформы Q-CHECK, эксперт по пищевой безопасности Константин Деревсков.

— Здесь есть большой потенциал создания следующего поколения функциональных продуктов питания, где мы постепенно отказываемся от универсальных решений и теперь на примере того же кефира можем говорить не просто о сквашивании молока, а о целенаправленном конструировании его полезных свойств, — рассказал он.

Фото: Игорь Попов Летучая мышь, микробиом которой анализировали авторы исследования

Например, на базе новой технологии можно создать линейку ферментированных продуктов под конкретную задачу, один продукт за счет подобранных штаммов будет направлен на поддержку естественной выработки витаминов группы B, а другой — допустим, на синтез веществ для укрепления костной ткани. Фактически мы получаем в свои руки научно обоснованный конструктор для создания персонализированного питания, отметил эксперт.

— Ученые используют бактериальное сообщество не только в пищевой промышленности, но и в фармацевтике, активно изучаются микробактерии в том числе. Если мы понимаем, какой видим массив генов, это очень сильно может ускорить вообще все направление промышленной микробиологии, —подчеркнул ведущий эксперт рабочей группы FoodNet НТИ Михаил Чарный.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecular Nutrition & Food Research.