ابزاری برای کاهش توان محاسباتی مورد نیاز برای آنالیز DNA

روشی که قدرت محاسباتی مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده های DNA برای شناسایی میکروب‌های جدید و پروتئین‌های آنها را کاهش می دهد، می‌تواند برای تولید هر چیزی از آنتی بیوتیک های جدید گرفته تا آنزیم‌های تجزیه کننده پلاستیک استفاده شود.

به تازگی یک پلتفورم آنلاین به دانشمندان سراسر جهان امکان دسترسی به منابع محاسباتی پیشرفته KAUST را می‌دهد تا درک انواع میکروب‌ها را در محیط های مختلف و آنچه را که می توانند انجام دهند، بهبود بخشد. انتظار می رود این ابزار به محققان در شناسایی پروتئین‌ها و آنزیم‌های قابل استفاده در کشاورزی، داروسازی، بخش انرژی و بسیاری از صنایع کمک کند.

آماده سازی محیط کشت باکتری یک فرآیند معمول و رایج است، برای مثال محقق از یک زخم نمونه‌برداری می‌کند و باکتری‌های حاصل از آن را در ظرف‌های آزمایشگاهی پتری رشد می دهد. مسئله این است که 99 درصد باکتری های موجود در این نمونه ها و نمونه های دیگر نمی توانند به این شکل در آزمایشگاه کشت شوند. این امر کشف حدود یک تریلیون میکروب موجود را بسیار دشوار می کند.

برای غلبه بر این مشکل، دانشمندان در سال 1998 رویکردی به نام توالی یابی متاژنومیک (Metagenomics sequence) را معرفی کردند که در آن نمونه‌ای، از هر محیطی گرفته می شود و سپس ب DNA آن تجزیه و تحلیل می شود. دانشمندان روشی به نام توالی‌یابی اسلحه را به کار می گیرند که هر DNA موجود در نمونه را به قطعات کوچکتر تقسیم می کند. این قرائت‌های کوتاه متاژنومی سپس برای شناسایی ژن ها دوباره جمع می شوند. در طول سال‌ها، مقدار عظیمی از داده های توالی میکروبی از محیط های مختلف استخراج شده است ، اما تجزیه و تحلیل آن به روش های پیشرفته، پایگاه های اطلاعاتی معتبر و غنی و همچنین قدرت محاسباتی عظیم نیاز دارد.

برای رفع این مشکل، اینتیخاب علم، ولادیمیر باجیچ، کارلوس دوآرته، تاکاشی گوجوبوری و همکارانش پلتفورم تجزیه و تحلیل متاژنومیک KAUST (KMAP) را توسعه دادند. علم می گوید: «با استفاده از KMAP، فقط در مدت 13 روز توانستیم 275 میلیون ژن میکروبی را تجزیه و تحلیل و همچنین مقایسه کنیم. با استفاده از یک پردازنده مرکزی یک کامپیوتر 522 سال زمان لازم بود تا این کار انجام شود.»

در این روش ابتدا توالی‌های کوتاه به هم متصل شده تا توالی‌های بلندتر ایجاد شوند. این داده ها است که می تواند به ماژول حاشیه نویسی KMAP وارد شود. دانشمندان می توانند توالی‌های جمع شده ، ژن ها یا کاتالوگ‌های ژنی خود را به این پلتفورم وارد کنند یا داده های خود را با نمونه‌های پیشین موجود در بانک مقایسه کنند. برای تجزیه و تحلیل آسان و تعاملی، می توان جداول اطلاعات ژنی حاوی KMAP را با استفاده از ماژول مقایسه KMAP غربال کرد تا بینش عمیق تری نسبت به انواع میکروب‌ها در محیط های مختلف و عملکرد آنها بدست آورد.