Прогнози про майбутню долю мікроорганізмів дотепер були чистою спекуляцією. Науковці з Інституту біології розвитку імені Макса Планка в Тюбінгені (Німеччина) разом з ученими з Кембриджа та Санта-Барбари (США) розробили алгоритм, за допомогою якого можна вирахувати майбутнє організмів, вірусів і навіть ракових клітин, що розмножуються нестатевим шляхом. Вперше науковці протестували програму на історичному прикладі еволюції – вірусі грипу A/H3N2. Ретроспективно розроблений алгоритм визначає домінантний тип вірусу наступних сезонів або добре, або дуже добре. Поєднання цього підходу з іншими методиками в недалекому майбутньому могло б підвищити точність прогнозів ще більше. Цей механізм дослідження можна буде застосовувати не лише на вірусах грипу, а й на вірусі імунодефіциту людини, норовірусах та ракових клітинах.
Родовід зразка грипу з HA1-послідовністю від травня 2006 року до кінця лютого 2007-го. Вузли забарвлені відповідно до біологічної придатності. Найміцніший позначений чорною стрілкою.
Алгоритм має в основі просту ідею: гілки родового дерева розповідають про здатність до виживання, так би мовити, про біологічну форму (фітнес) організму. Особливо «треновані» лінії спадкування мають більше нащадків, а їхній стовбури – більше відгалужень. Сильно розгалужена гілка репрезентує лінію, яка, ймовірно, в майбутньому домінуватиме.
«Передбачити еволюцію – ультимативне випробовування нашого розуміння розвитку», – каже Річард Неєр з Інституту біології розвитку імені Макса Планка. Такі передбачення необхідні для того, щоби швидше створювати вакцину проти патогенів грипу зокрема. Метод базується на двох припущеннях: організми підлягають тривалому, цілеспрямованому відбору, мутації маленькими кроками змінюють здатність до виживання окремих особин. Алгоритм на вході потребує інформацію під родове дерево, яку науковці отримують після генетичного аналізу різних споріднених видів.
Достовірність алгоритму довели на практиці. Вчені проаналізували закономірності розвитку вірусу групу A/H3N2 в Азії та Північній Америці в період 1995–2013 рр. З даних про гени мембранних рецепторів гемаглютиніну одного року дослідники вивели родове дерево, з якого потім програма вирахувала наступні домінантні види грипу – з ліній вірусу з найвищими показниками виживання.
«Наш алгоритм у 30 % випадків визначав тип вірусу, який породив домінуючий тип наступних років. Для 16 з 19 досліджуваних років програма вивела змістовні прогнози про тип вірусу майбутніх сезонів. Це доводить, що стан вірусу грипу великою мірою визначають мутації, кожна з яких здійснює лише неістотний ефект, але з часом їх накопичується чимало», – каже Неєр.
Науковці з Тюбінгена порівняли результати вивчення еволюції A/H3N2 з прогнозами, які вчені з Нью-Йорка та Кельна опублікували навесні 2014-го. Вони за допомогою довгих часових серій генетичних даних визначали тип вірусу грипу, який домінуватиме наступного року, програму спеціально розробили для грипу. З'ясувалося, що прогнози з Тюбінгена є надійними, хоча основний алгоритм куди простіший, а застосовувати його можна на багатьох мікроорганізмах.
Комбінація моделей поширення патогенів могла б покращити точність алгоритму. «Наша методика функціонує без історичних даних і не потребує деталізованих розвідок про те, як спадковий матеріал організму впливає на його стан. З огляду на це програма – багатофункціональна, її можна застосовувати й на інших вірусах, бактеріях та ракових клітинах зокрема», – каже Неєр.
Наступними на черзі є вірус імунодефіциту та норовіруси, їх еволюцію вчені планують простежити за допомогою алгоритму найближчим часом.
Зреферувала Соломія КРИВЕНКО
Ориґінал за посиланням: http://www.mpg.de.
13.11.2014