В Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Крыма создали программу для анализа микробиома
Впервые в программном комплексе объединены семь алгоритмов машинного обучения, а также методы определения различий между микроорганизмами и оценки их состава.
Микробиом — сообщество микроорганизмов, населяющих почву, растения, организм животных и человека, — влияет на урожай, здоровье и устойчивость экосистем. Его изучают с помощью метабаркодинга (определения состава микробов по фрагментам их ДНК). Результаты анализа — таблицы с тысячами видов. Для их обработки приходится работать в нескольких программах и писать код. Ученые отмечают, что это долго и чревато ошибками.
Для решения этой проблемы исследователи собрали методы анализа в одном интерфейсе, дополнили их машинным обучением и сетевым анализом, проверили точность на реальных данных.
В результате ученые разработали и зарегистрировали программный комплекс BIOMIDAS (Bioinformatics Microbiome Integrated Data Analysis System). Он способен оценивать альфа- и бета-разнообразие видов, применять машинное обучение и сетевой анализ для построения карты взаимосвязей микробов. Точность программы проверили на трех наборах данных — собственных экспериментальных и открытых зарубежных, полученных в признанных программах. Результаты BIOMIDAS совпали с эталонными программами (коэффициент корреляции выше 0,99). Повторный анализ зарубежных данных подтвердил выводы авторов и дал новые сведения: в микробном сообществе выделили три устойчивые группы взаимосвязанных бактерий и ключевые виды — «узлы», на которых держится вся сеть. Сейчас программа рассчитана на специалистов с базовыми навыками биоинформатики (анализа биологических данных с помощью компьютера). В следующих версиях программного продукта может появиться загрузка файлов секвенатора, и анализ станет доступен биологам и агрономам без специальной подготовки.
«От незаметной работы микробов — в почве, на растениях, в нашем собственном организме — зависят и урожай, и здоровье. Мы научились читать состав этих сообществ по ДНК, но за длинными таблицами легко потерять главное. К тому же обработка таких данных требует долгих вычислений и кропотливой работы биоинформатиков. Из-за этой трудоемкости огромные массивы метагеномных данных остаются неизученными. BIOMIDAS — инструмент, созданный, чтобы сделать анализ быстрее и доступнее, вовлечь эти данные в научный оборот и расширить базу знаний о метагеномах», — отметил ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией молекулярной генетики, протеомики и биоинформатики ФГБУН «НИИСХ Крыма», кандидат биологических наук Сулейман Абдурашитов.