Что такое узел — а что нет — в геномном картировании: компьютерное моделирование картирования генома в наноканалах помогает распутать физику узлов ДНК

С технической точки зрения, картирование генома используется для получения крупномасштабной геномной информации с разрешением около 2000 пар оснований (п.н.), в отличие от разрешения по одному основанию при секвенировании. Картирование генома дополняет секвенирование ДНК, предлагая понимание огромных, неповрежденных молекул длиной от 150 000 до 1 миллиона пар оснований. Получение измерений таких больших сегментов сопряжено с трудностями, но новое исследование физики наноканального картирования, опубликованное на этой неделе в журнале Biomicrofluidics от AIP Publishing, может помочь преодолеть (буквальный) узел в процессе и продвинуть технологию картирования генома.

Команда исследователей из Университета Миннесоты объединилась с BioNano Genomics, компанией, коммерциализирующей картирование генома в наноканалах, чтобы понять основы физики, лежащие в основе картирования, и использовать это понимание для улучшения технологии. BioNano Genomics картирует геномы, кодируя ДНК с помощью специфичных для последовательности флуоресцентных меток, прежде чем вводить ее в наноканалы, которые вызывают растяжение молекулы. Информация о структурном картировании считывается с растянутой ДНК.Узлы ДНК, однако, нарушили бы этот метод, поскольку молекулярный клубок можно было бы неправильно интерпретировать как структурную вариацию в последовательности генома.

Чтобы лучше понять эти наночастицы, группа использует компьютерное моделирование для моделирования наноканальных конфигураций ДНК и сравнивает прогнозы с характеристиками, основанными на измерениях.«Мы изучили вероятность того, что ДНК сформирует узел внутри канала, и предсказали размер узлов», — сказал Кевин Дорфман, член исследовательской группы и ведущий автор работы. «Это важно при картировании, потому что узлы могут быть неправильно охарактеризованы как изменения в структуре последовательности ДНК, хотя на самом деле это просто перестройки ДНК внутри канала».Это направление исследований поставило несколько проблем. Вероятность образования узлов очень мала, а молекулы, используемые при картировании генома, очень большие, что потребовало от команды разработки вычислительного конвейера, способного моделировать эту систему как с разрешением узлов, так и с сегментом ДНК в качестве весь.

«В предыдущей работе по созданию узлов ДНК в этих типах наноканалов рассматривались молекулы, которые были почти на порядок меньше, чем в нашем исследовании», — сказал Дорфман. Еще одна проблема, с которой столкнулась команда, заключалась в обработке терабайтов данных из миллионов цепочек ДНК, которые были созданы для получения значимой статистики.

Цель этого исследования состояла в том, чтобы увидеть, соответствуют ли предсказания модели относительно образования узлов ярким пятнам, наблюдаемым во время экспериментов, которые могут быть узлами на молекуле ДНК.«Мы обнаружили, что экспериментальные результаты не согласуются с равновесной статистической механикой, а это означает, что узлы в экспериментах на самом деле могут не быть узлами — хотя способ обработки данных в экспериментах предполагает множество потенциальных событий завязывания узлов, мы не можем окончательно идентифицировать эти события. как узлы, — сказал Дорфман.

Чтобы устранить расхождение между экспериментами и моделированием, группе придется вернуться к экспериментам, собирая динамические данные о движении узлов.«Динамическая информация может дать нам очень важную информацию о структуре ДНК в канале и потенциально позволить нам сказать, действительно ли узлы являются узлами», — сказал Дорфман.Поскольку образование узлов происходит очень редко, необходимо собирать огромные массивы данных, проверять их, чтобы определить местонахождение возможно связанной ДНК, а затем детально проанализировать эти молекулы ДНК.Однако работа показала, что эти узлы не являются внутренней проблемой при картировании генома.

Если бы узелки формировались часто, это значительно усложнило бы обработку данных картирования генома. Если очевидные узлы в экспериментах происходят из каких-то других источников, то их можно удалить, изменив другие части экспериментального протокола.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.