Доступ к ДНК

Microsoft Azure помогает ученым разгадать удивительно разнообразное происхождение человека и найти ответы для современной медицины

Кто были наши предки? Какие виды человека существовали до нас? Насколько их генетическая наследственность вплетена в наши ДНК?  И что все это означает для здоровья и физического благополучия сегодняшнего поколения?

Еще до появления работы Чарльза Дарвина несколько поколений ученых уже пытались понять происхождение человечества, раскапывая и разглядывая ископаемые останки. Сегодня новое поколение исследователей тоже скрупулёзно вглядывается в туманную дымку времени, но теперь прошлое видится им с гораздо большей ясностью, и делают они это не только с помощью кирки и лопаты.

Большие данные и облачные вычисления привели интернациональную команду исследователей к ошеломляющему открытию: среди наших прародителей были две ранее неизвестные группы доисторического человека.

Эти ранние или архаичные люди, известные как денисовские люди, исчезли, по всей вероятности, 30 000 лет назад, при этом пережив своих более известных конкурентов неандертальцев на многие тысячелетия. Как и последние, они сосуществовали и скрещивались с нами, оставив генетическое наследство, которое присутствует в наших ДНК и по сей день.

Эти данные основаны не на изучении останков, а на результатах анализа крови 300 человек, живущих на островах, которые простираются вдоль Индонезии, Новой Гвинеи и юго-западной части Тихого океана – уголка планеты, куда едва ли доходило какое-либо генетическое исследование.

У добровольцев были взяты образцы, которые прошли потом геномное секвенирование. В результате получилось огромное количество данных; в течение двух лет они анализировались в облаке с помощью мощных вычислительных моделей.

Проведенное исследование было исчерпывающим, а результаты оказались довольно неожиданными: данные образцы содержали генетический материал архаичного денисовского человека, который никогда до этого еще не был идентифицирован, причем он присутствовал в значительном количестве, особенно у жителей Новой Гвинеи.

Ранее ученые знали о существовании только одного типа денисовского человека; эти данные были получены из фрагментов костей, найденных в горной пещере на Алтае в 2008-2010 гг. Но следы денисовского человека, обнаруженные за тысячи километров среди населения Юго-Восточной Азии, определенно принадлежали другому типу.

«Мы идентифицировали две новые группы. Таким образом, теперь нам известны три типа денисовского человека», – говорит профессор Мюррай Кокс из университета Мэсси в Новой Зеландии, который в прошлом году опубликовал в научном журнале Сell результаты своих исследований.

«Они сильно отличаются от неандертальцев, а кроме того, еще сильно отличаются друг от друга. Наше открытие свидетельствует о том, что происхождение современного человека намного сложнее и более разнообразно, чем мы представляли себе раньше».

Помимо улучшения понимания нашей эволюции, работа команды продемонстрировала, как быстро процесс научных изысканий трансформируется с привлечением новых цифровых технологий.

«Я специалист в области вычислительной биологии. Разрабатываю программы, коды, алгоритмы и статистические модели для наборов больших данных, чтобы потом из них вытащить информацию, дающую ответы на наши вопросы», – говорит Кокс.

«Биология как наука изменилась. Раньше это были небольшие объемы данных, полученные в лаборатории, из которых мы медленно добывали нужную информацию. Но за последние 10-15 лет все радикально преобразилось».

«Сейчас производительность технологии секвенирования очень высока и позволяет быстро получить информацию о ДНК. Нам нужны мощные компьютеры для таких данных. Еще десять лет назад мы были вынуждены проводить до 90% нашего лабораторного времени переливая жидкости в пробирках. С автоматическим секвенированием генома мы тратим всего один или два процента лабораторного времени на работу с образцами, а все остальное время мы работаем перед экраном компьютера».

Данные открытия денисовских людей были основаны на статистических моделях, предложенных Коксом и его коллегами, и запущены на Microsoft Azure, что оказалось ключевым фактором для успеха проекта. В отличие от многих других университетов Мэсси не располагает собственными вычислительными мощностями, требуемыми для проведения исследований на основе больших данных.

«Это большие, дорогие компьютеры, но их пропускная способность ограничена. Они требуются многим исследователям, загрузка велика, а это значит получить время тогда, когда оно вам необходимо, будет довольно проблематично. Вам приходится ждать своей очереди», – объясняет Кокс.

Решением стало использование облака Microsoft. «Azure прекрасно подходит для наших задач благодаря масштабируемости и гибкости. Оно дает нам свободу работать в том темпе, который нам нужен для получения ответов на наши вопросы».

Наука движется стремительно

Кокс считает, что если бы его команда пользовалась собственной IT-инфраструктурой, их работа вероятно заняла бы на полгода или даже на год больше времени. «Сложно сказать, может, она вообще не закончилась бы. Нам требовалось такое большое количество вычислительного времени, что вполне вероятно, кто-то другой опубликовал бы эти данные раньше. Наука двигается стремительно, и если бы мы промедлили, на наши вопросы уже ответили бы другие».

Коммерческие компании и госструктуры постоянно используют облачные мощности, чтобы быстро, надежно и гибко фильтровать, анализировать и использовать большие данные.  Кокс считает, что вычислительные возможности облака приносят такие же преимущества и в лабораторию. «Обработка таких массивов данных утомительна и трудоемка, – говорит он. – Облако Azure освобождает нас от этой рутины и позволяет заняться другими вещами, необходимыми для развития нашего исследования».

Новые технологии и решения, работающие в облаке и использующие искусственный интеллект и машинное обучение, обещают ускорить темп исследовательской деятельности. Кроме того, способность быстро обрабатывать большие объемы данных может открыть новые горизонты для научных изысканий, как произошло в случае Кокса и его коллег.

Изначально в ходе исследования планировалось изучение вариантов генов, характерных для определенных болезней, которые встречаются в Юго-Восточной Азии. Это позволило бы разработать и применять для миллионов пациентов из этого региона более точные методы лечения. Идея поиска архаических гомининов возникла, когда входящие данные указали команде новое русло исследований.

Но, по словам доктора Прадиптаджати Кусума, ведущего научного сотрудника Института молекулярной биологии Эджкман в Джакарте (Индонезия), даже после публикации результатов о найденном разнообразии денисовского человека первоначальная медицинская цель исследований по-прежнему остается актуальной.

«Ценность полученных данных в том, что они открыли нам глаза, как мало на настоящий момент нам известно о разнообразии наших популяций, – говорит он. – Мы опубликовали интересные результаты, касающиеся загадочного появления генов денисовского человека в генном коде других видов по всему архипелагу, и это только начало».

Кусума, больше известный как Пай, говорит, что теперь команда ученых проводит более глубокий анализ данных, чтобы понять, как генетические признаки могут влиять на эффективность лечебных препаратов, резистентность к паразитам или возникновение неинфекционных заболеваний.

Одновременно с этим исследователи продолжают на добровольной основе собирать у жителей образцы крови, подчас в таких удаленных районах, где вообще отсутствует медицинское обслуживание.

«Каждый раз, когда мы осуществляем взятие проб, мы заодно предлагаем общий медицинский осмотр, – говорит Пай. – Медики тестируют желающих по полному перечню показателей: артериальное давление, количество жира, уровень глюкозы и общего холестерина в крови, наличие малярийных паразитов и др.».

Кокс считает, что обнаруженные данные по разнообразию денисовского человека уже приносят свои плоды, как, например, в случаях тихоокеанских островитян, страдающих аутоиммунными заболеваниями.

«Мы заметили, что ген, ответственный за такие заболевания, унаследован от денисовского человека. Как только мы осознали это, началась разработка новых лекарственных препаратов на основе полученных генетических вариантов», – говорит он.

«Когда мы говорим о неандертальцах или денисовских людях, может легко показаться, что все это очень далекое прошлое, древняя история. Но на самом деле, варианты генов, которые люди несут в себе от архаических гомининов, оказывают на нас самое непосредственное влияние. Это живая история, живущая в наших клетках».

Заглавное фото: портрет женщины из Папуа – Новая Гвинея. Исследователи утверждают, что знание типов ДНК людей в этом регионе позволит им создать таргетированные лекарственные препараты. Фото: Gerrit Bril/Pixabay.