Российские ученые предложили уникальный математический алгоритм, способный необыкновенно точно находить похожие друг на друга повторяющиеся фрагменты ДНК в геномах растений. Новый инструмент существенно отличается от предыдущих методов: вместо поиска исключительно идентичных участков, алгоритм анализирует закономерности и «отзвуки» генетических последовательностей, что позволяет выявлять даже те повторы, которые значительно видоизменились в ходе эволюции или под действием мутаций. Этот инновационный подход позволил тщательно изучить геном одного из важнейших сельскохозяйственных растений — риса (Oryza sativa), показав, что повторяющиеся фрагменты занимают более 66% всего объема генетической информации растения.
Уникальные повторяющиеся фрагменты генома: роль и значения
Большая часть генома растений состоит из повторяющихся элементов, которые могут быть либо расположены подряд, либо «разбросаны» по разным участкам хромосом. Наиболее интересны ученым именно диспергированные повторы, называемые мобильными генетическими элементами или «прыгающими генами». Эти элементы способны менять свое положение в геноме, существенно влияя на его структуру и функционирование.
Понимание количества и расположения таких повторов необходимо для углубленного изучения эволюции растений, а также для поиска природных механизмов устойчивости к неблагоприятным факторам и болезням. К сожалению, стандартные методы долгое время не позволяли точно выявлять подобные диспергированные повторы, особенно те, в которых накопилось много мутаций. В результате некоторые важные участки часто оставались «невидимыми» для предыдущих алгоритмов.
Прорыв в анализе: итеративный метод поиска повторов
Группа научных сотрудников ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва) под руководством доктора биологических наук Евгения Короткова, разработала оригинальный итеративный подход (IP-метод), основанный на использовании позиционных весовых матриц. Эти специальные математические матрицы, согласно принципу работы, отражают вероятность присутствия определенного нуклеотида на каждой позиции исследуемой ДНК-последовательности.
Изначально матрица формируется случайным образом. Дальнейший процесс построен на постоянном уточнении структуры этой матрицы: если среди геномных данных обнаруживаются участки, напоминающие ее начальный вид, информация из них вносится в матрицу, и так далее, пока не будут найдены все значимые повторяющиеся фрагменты. Подобный подход позволяет выявлять не только идентичные, но и сильно мутированные повторы, что до сих пор было большой проблемой в биоинформатике.
Геном риса (Oryza sativa): масштабные открытия для продовольственной безопасности
Используя собственный алгоритм, коллектив ФИЦ Биотехнологии РАН провел масштабный анализ генома риса, культуры, которая служит основным продуктом питания для более миллиарда жителей планеты. В результате исследования ученые обнаружили 992 739 отдельных повторяющихся фрагментов, которые были отнесены к 79 разным семействам мобильных элементов. Это на 56% больше по сравнению с результатами, полученными с помощью признанных биологами методов прошлых поколений.
Итоги впечатляют: более двух третей генетического материала риса приходится на диспергированные повторы. Этот результат не только превосходит ранее признанные оценки, но и во многом меняет представления о сложности и организации растительных геномов в целом. Такой фундамент позволяет значительно продвинуться в понимании механизмов устойчивости и продуктивности этого важного сельскохозяйственного растения.
Вклад Российского научного фонда и роль Евгения Короткова
Данный проект реализован при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Руководитель исследования — Евгений Коротков, доктор биологических наук, ведущий специалист и руководитель лаборатории математического анализа последовательностей ДНК и белков ФИЦ Биотехнологии РАН. Он отмечает, что результаты работы позволят гораздо эффективнее выявлять потенциальные участки для внедрения новых генов при создании улучшенных сортов риса и других важных культур.
Евгений Коротков подчеркивает, что углубленная детализация структуры генома открывает возможности для ускоренного выведения урожайных, устойчивых к болезням и внешним стрессам сортов. Кроме того, создание базы данных по диспергированным повторам в растительных геномах, доступной международному научному сообществу, станет весомым инструментом для будущих биотехнологических исследований и прикладных разработок.
Перспективы для мирового сельского хозяйства
Новое математическое решение уже доказало свою результативность и открывает обширные горизонты для применения в генетике и агротехнологиях не только России, но и во всем мире. Глубокий анализ геномов с учетом скрытых и мутированных повторов даст толчок к развитию современных методов селекции, устойчивых сортов и инновационных стратегий по обеспечению продовольственной безопасности.
Расширение работы на другие сельскохозяйственные культуры и дальнейшее совершенствование IP-метода поможет исследовать генетические ресурсы в максимально полном объеме. А доступ к обновленным базам данных ускорит международное сотрудничество и реализацию смелых биотехнологических проектов, нацеленных на процветание и устойчивое развитие мирового агропромышленного комплекса.
Будущее биотехнологий и геномики растений
Внедрение инноваций, созданных российскими учеными при поддержке РНФ, обещает значительно повысить точность и эффективность биоинформатического анализа. Алгоритмы нового поколения уже выводят геномные исследования на качественно иной уровень, формируя оптимистичный сценарий для развития отечественного и глобального сельского хозяйства. Труды Евгения Короткова и его команды доказывают: наука становится настоящей движущей силой улучшения жизни и уверенного будущего человечества.
Источник: indicator.ru
