Биоинформатики из России разработали нейросеть Chimaera, которая смогла не только предсказывать трехмерную структуру генома, но и выявлять правила его пространственной организации у самых разных живых существ — от дрожжевых грибов и примитивных растений до человека. Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
Не просто «запутанный клубок»
ДНК в клетке не лежит хаотично: она формирует сложную трехмерную архитектуру, влияющую на активность генов. Ученые давно знают о существовании характерных структур — петель, полос, «фонтанов» и зон изоляции. Однако оставалось неясным, одинаковы ли механизмы их формирования у разных видов.
Команда российских исследователей проанализировала данные различных тканей 22 организмов, включая:
- Человека;
- Домовую мышь (Mus musculus);
- Когтистую шпорцевую лягушку Xenopus tropicalis;
- Рыбку Danio rerio;
- Брюхоногих моллюсков — пресноводную яблочную улитку Pomacea canaliculata и испанского слизня Arion vulgaris (самый опасный среди слизней вредитель растений);
- Медоносную пчелу Apis cerana;
- Муравья Cataglyphis hispanica;
- Фруктовую мушку Drosophila melanogaster;
- Комаров Anopheles merus и Culex quinquefasciatus;
- Тутового шелкопряда Bombyx mori;
- Нематоду Caenorhabditis elegans;
- Кораллового динофлагеллята Symbiodinium microadriaticum;
- Дрожжи родов Saccharomyces и Schizosaccharomyces;
- Резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) и др.
Нейросеть обучали на последовательностях ДНК и картах пространственной организации генома. В результате модель научилась распознавать закономерности сворачивания хроматина и предсказывать структуру генома по одной лишь последовательности ДНК.
У каждого вида — своя «упаковка»
Главным выводом работы стало то, что механизмы трехмерной организации генома оказались видоспецифичными. Иначе говоря, похожие структуры у разных организмов могут возникать по совершенно разным биологическим причинам и принимать разные стереометрические формы.
Нейросеть также обнаружила связь между некоторыми паттернами и особенностями ДНК. Например, области генома с высокой изоляцией чаще содержали GC-пары — сочетания нуклеотидов гуанина и цитозина. Кроме того, выяснилось, что на пространственную упаковку влияет не только расположение генов, но и направление их считывания.
На основе найденных закономерностей ученые даже построили своеобразное «эволюционное дерево» трехмерной организации генома — от растений до млекопитающих.
Современные нейросети все активнее применяются в биологии. В 2024 году Нобелевскую премию по химии получили исследователи, создавшие ИИ-системы для предсказания структуры белков. А в 2026 году ученые Массачусетского технологического института показали, что пространственное сворачивание ДНК напрямую влияет на работу генетических цепей и активность генов.
Еще одна тенденция — развитие так называемого «прозрачного ИИ», когда алгоритмы не просто выдают результат, а позволяют понять, почему модель приняла то или иное решение. Российские исследователи отдельно подчеркивают, что Chimaera можно интерпретировать, а значит — использовать для поиска фундаментальных биологических закономерностей.
Недавно ученые выяснили, что бактерии умеют синтезировать ДНК-пустышки для обмана вирусов.
Источник: hi-tech.mail.ru