Российские ученые разработали процессор, способный считывать и записывать структуру молекул ДНК и выявлять минимальные отличия между ними. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья о разработке опубликована в журнале Laser Physics Letters.

Молекулы ДНК представляют собой двойную спираль, состоящую из последовательностей нуклеотидов. Нуклеотид – это мельчайшая неделимая часть молекулы ДНК. Последовательность нуклеотидов определяет функционирование и развитие клеток организма на всех стадиях жизни человека. Зная структуру этих молекул, можно предсказать функции и строение содержащих их организмов.

Считывание последовательности ДНК и ее анализ — неотъемлемая часть современной генетики. Они позволяют определить склонность человека к определенной группе заболеваний или выявить, например, минимальные различия в генетической структуре бактерий одного вида. Так, большую проблему представляет хламидиоз, вызываемый хламидиями – древнейшими микроорганизмами, размеры которых во много раз меньше размеров кишечной палочки. Это инфекционное заболевание может вызывать бесплодие и болезни половой системы как у людей, так и у животных, что влечет за собой ощутимые экономические потери. Хламидиоз в большинстве случаев проходит бессимптомно до определенной стадии развития, из-за чего его диагностика очень затруднена.

Для разработки эффективных методов лечения хламидиоза необходимо расшифровать структуру ДНК вызывающей его бактерии. Это позволит более точно диагностировать различие между возбудителями хламидиоза и подбирать наиболее подходящее лечение для каждого конкретного случая.

Ученые Федерального исследовательского центра вирусологии и микробиологии (ФИЦВиМ) в рамках проекта РНФ вплотную приблизились к созданию принципиально новых методов диагностики, основанных на применении быстродействующих оптических процессоров.

Образы последовательностей распознаются с помощью оптического процессора и затем записываются на носитель для дальнейшей обработки и воспроизведения. Чтобы записать последовательность ДНК на носитель, ее разбивают на триады — маленькие последовательности, состоящие из трех идущих подряд нуклеотидов. Так как существует всего четыре разных нуклеотида, то число возможных триад ограничено числом 64. Кодируя каждую триаду, ей присваивают свое уникальное число, которое затем заносится в матрицу. В конечном итоге получается массив, состоящий из множества чисел. Этот массив может быть графически представлен в виде трехмерной шероховатой поверхности. Каждое число массива может быть преобразовано в точку на трехмерной поверхности. При этом величина числа отражает высоту точки: она тем выше, чем больше соответствующее ей число.

«Принцип работы нашего оптического процессора был описан достаточно давно, но подход, основанный на распознавании образов нуклеотидных последовательностей, уникален и отличается принципиальной новизной. Ранее он никогда не использовался в биоинформатике», – говорит профессор, доктор физико-математических наук Сергей Ульянов.

Разработка нацелена, прежде всего, на лабораторную диагностику инфекционных заболеваний как человека, так и животных. Новая технология может с большой точностью определять различия между патогенными организмами. Врачи могут использовать это для составления наиболее эффективного плана лечения.