Платформа для интерактивного анализа метагеномных данных
Онлайн-сервис «Кномикс-Биота», который позволяет комплексно исследовать генетические данные микробиома кишечника, представила команда разработчиков из Сколково, Университета ИТМО и МФТИ. Анализ может выявить, какие виды бактерий представлены в микробиоте, в каком соотношении они находятся, насколько способны вырабатывать витамины и другие полезные вещества. С помощью интерактивного интерфейса можно взглянуть на результаты с разных точек зрения, что помогает выявлять новые взаимосвязи между микробиотой и питанием, образом жизни и здоровьем, сообщает пресс-служба Университета ИТМО. Работа опубликована в журнале BioData Mining.
Сейчас в научных работах по биологии и медицине, а также в исследованиях продуктов питания и лекарств все чаще применяют анализ метагенома. Метагеном — это совокупность генетического материала всех бактерий, населяющих какую-либо нишу организма. По метагеному можно охарактеризовать состав и баланс микрофлоры кишечника, сделать выводы о его вкладе в общее состояние здоровья человека, а также об эффекте, который на него оказывает прием того или иного лекарства или тип питания. Объем полезной информации, содержащийся в сотнях и тысячах метагеномов, велик, и ее нельзя проанализировать вручную. Поэтому для интерпретации метагеномных данных нужны специальные инструменты.
Команда российских разработчиков из Сколково, Университета ИТМО и МФТИ создала аналитическую платформу для интерпретации метагеномных данных человека. Платформа позволяет статистически анализировать данные и представлять их в виде интерактивных графиков. С ее помощью можно оценить способность микробиоты вырабатывать витамины и другие важные для здоровья вещества, а также соотнести свои данные с тысячами других образцов от здоровых и больных людей, которые есть в открытом доступе. При этом в анализ можно включать не только метагеномную информацию, но и сопутствующие показатели: пол, возраст, тяжесть заболевания или данные других анализов.
«Системой уже пользуются исследователи как из академических институтов, так и из коммерческих компаний, и их поток увеличивается, — рассказал “Стимулу” научный сотрудник Университета ИТМО, директор по технологиям компании по исследованию микробиома “Кномикс” Александр Тяхт. — Среди проектов, в которых участвуют члены нашей команды, — анализ кишечной микробиоты у пациентов с различными заболеваниями (сердечно-сосудистые, нарушения метаболизма, воспалительные заболевания кишечника, болезнь Паркинсона и другие). Изучается также изменение состава кишечного сообщества у людей до и после приема лекарственных препаратов (таких как антибиотики) и при переходе на лечебную диету. Один из крупных проектов — клиническое исследование влияния приема кисломолочных продуктов с пробиотическими микробами на здоровье человека и на баланс его микробиоты. Система позволила выявить значимые изменения в метагеноме сотен добровольцев, что сопровождалось улучшением самочувствия».
Анализ экспериментальных данных происходит автоматически, после того как они загружены через сайт в облачный сервис. В итоге пользователь получает онлайн-отчет с результатами каждого этапа анализа: от контроля качества данных до проверки статистических гипотез. Полученным отчетом можно поделиться с коллегами, а также использовать его для научных публикаций и разместить в открытом доступе.
«Наша разработка позволяет академическим исследователям и специалистам из пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности правильно обработать и интерпретировать данные по микробиоте. Накопленная база знаний позволит пользователю сопоставить свои данные с опубликованными. Например, если имеются новые данные по микробиоте при воспалительных заболеваниях кишечника, то в “Кномикс-Биоте” можно наложить их на карту пациентов с теми же болезнями со всего мира», — пояснил Александр Тяхт.
По сравнению с другими системами анализа метагеномных данных «Кномикс-Биота» обладает рядом преимуществ. Например, c помощью этой системы можно проводить сравнительный анализ с массивами общедоступных данных, объединенных по тематическим коллекциям (диета, заболевания, популяции и т. п.). Можно также обрабатывать входные данные в различных форматах. Кроме того, информация о методах анализа данных всегда содержится в итоговых отчетах, поэтому анализ легко использовать для публикаций, а также воспроизвести.
«Благодаря универсальности системы “Кномикс-Биота” легко применима для анализа не только кишечной микробиоты, но и любых других типов микробиоты. Среди тех, для которых она уже активно используется, микробиота окружающей среды. Знание ее состава помогает, например, в нефтедобывающей промышленности предотвращать микробную коррозию оборудования. Еще одно активное направление — метагеном пищевых продуктов, в том числе пробиотических. Его изучение дает инновационный подход для контроля качества производства и в перспективе — оптимизации рецептур на основании метагеномики», — отметила Дарья Ефимова, первый автор статьи, разработчик из компании «Кномикс», сотрудник лаборатории компьютерных технологий Университета ИТМО.
Система доступна врачам, аналитикам, биологам без глубоких познаний в биоинформатике и программировании. Она призвана облегчить конверсию результатов метагеномных исследований в биомедицинские важные знания и помочь развитию международных коллабораций по изучению микробиоты человека и окружающей среды.
«Простота в использовании и наглядность позволяют исследователям обработать свои данные и проверить гипотезы, — говорит Александр Тяхт. — С помощью интерактивного интерфейса можно взглянуть на результаты под разными углами, что также помогает быстро получить наглядные материалы для подготовки научных публикаций. А сопоставление с мировыми данными дает возможность как проверить качество данных, так и выявить новые биологические закономерности. У “Кномикс-Биоты” большой образовательный потенциал: система хорошо показала себя в практическом изучении студентами основных понятий, связанных с биоинформатикой микробиоты и метагеномикой».