Мидий из Севастополя отправили в Сибирь для изучения на суперкомпьютере
Специалисты из Севастополя впервые изучают черноморских мидий методами биоинформатики. Это совместный проект Института биологии южных морей и Севастопольского государственного университета. Для чего им понадобился «суперкомпьютер», и как результаты исследований помогут экологам, фермерам и селекционерам, выяснила Алена Давыдова.
В центре внимания учёных – черноморские мидии. Чтобы отобрать моллюсков для исследований, судно Института биологии южных морей выходит в море. Задача – узнать, какие изменения происходят на уровне генома во время кислородного голодания. Это состояние называют гипоксией.
Ей моллюски подвержены если они слишком близко посажены друг к другу, или если акватория сильно загрязнена. В Карантинной бухте недостатка кислорода мидии не испытывают. Поэтому необходимые условия ученые создавали искусственно, насыщая воду в аквариумах углекислым газом.
В лаборатории из клеток моллюсков выделяют элемент клетки – рибонуклеиновую кислоту. В пробирку с тканью мидий добавляют реагенты и отправляют в центрифугу. Полученный материал замораживают. Температура в камере -80. Тепло для РНК губительно.
РНК для исследования нужно разобрать на ещё более мелкие частицы – нуклеотиды и установить их последовательность. Без специальных приборов, секвенаторов, не обойтись. Мощности оборудования, установленного в севастопольских лабораториях, оказалось недостаточно.
«Мы столкнулись с очень большим объёмом данных. То есть для каждого моллюска, мы анализировали их несколько, были получены гигантские объёмы информации. Около восьми миллионов кусочков генетических последовательностей было получено для каждого. Из этих кусочков потом были собраны гены, которые в этот момент находятся в организме, нужные для его жизнедеятельности, и таких генов для каждого моллюска было около 60 тысяч», – рассказывает младший научный сотрудник лаборатории биоразнообразия и функциональной геномики ИнБЮМ Екатерина Водясова.
Выполнить задачу помог суперкомпьютер – вычислительный кластер, установленный в Институте цитологии и генетики в Новосибирске.
«Состав самого кластера – это 20 вычислительных узлов высокопроизводительных. Это порядка 3000-3040 потоков вычислительных одновременно могут работать. Каждый узел – это как 1000 ноутбуков», – поясняет руководитель Центра коллективного пользования «Биоинформатика» Института цитологии и генетики Дмитрий Рассказов.
Работали с кластером студенты Севастопольского Государственного университета. РНК мидий за несколько тысяч километров везли в специальных контейнерах с сухим льдом. Зачем нужны такие сложности? Геном может рассказать ученому то, чего не расскажет сам организм, говорят специалисты.
«Можем понять по тому, какие конкретно последовательности ДНК сейчас задействованы, что происходит в этом организме и провести какую-то аналитику, сравнивая организм в спокойном состоянии и в раздражённом. Мы можем, в принципе, на основе таких исследований посмотреть, как поведет себя другой организм близкородственный», – уточняет студент Севастопольского государственного университета Яков Мегер.
Учёные выявили, какие гены начинают активно действовать в условиях кислородного голодания, какие, напротив, перестают работать. Результаты исследований могут помочь селекционерам вывести новые, более устойчивые виды. Фермерам создать идеальные условия на своих предприятиях. Экологам – оценить уровень загрязнения окружающей среды.
«Этот метод, он настолько универсален, что мы можем его использовать и для всех гидробионтов, то есть для всех объектов, которые можно в нашем море найти. И, в принципе, для любых живых культур, то есть это могут быть агрокультуры, это могут быть какие-то микробактерии, то есть все, что содержит ДНК и РНК и реагирует на внешние факторы», – отмечает директор центра коллективного пользования «Молекулярная структура вещества» СевГУ Анастасия Лантушенко.
Изучение генома мидий продолжат. Проверят, как на моллюсков влияет солёность воды, избыток тяжёлых металлов. Метод будут использовать и для выведения новых сортов винограда. Отправлять специалистов в другие регионы для этого теперь необходимости не будет. Свой «суперкомпьютер» уже устанавливает Севастопольский государственный университет.
Алена Давыдова, Михаил Шурмель, Наталья Бабкевич, Сергей Буторин