Попробуй посчитай

Что делать ученому, если экспериментальных данных настолько много, что он физически не способен их воспринять и обработать? Корреспондент «Мегабайта» побывал на лекции старшего преподавателя Центра Сколтех по вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Юрия Костюкевича и узнал, что такое омиксные технологии и как они помогают распознать наркоманов, спортсменов-жуликов и алкоголиков.

Генерируй по максимуму

В современном мире мы постоянно сталкиваемся с Big Data — слишком большими для обработки вручную данными. Для их исследования ученые сформулировали омиксный подход — получение максимального объема эмпирических данных и использование численных методов для их анализа и установления закономерностей.

Чаще всего к омиксным исследованиям обращаются науки о молекулярном разнообразии биологических и других природных объектов. Таким образом, «омики» можно поделить на две большие группы — живые и неживые.

Недавно появившееся направление, экспосомика изучает, как на человека влияют химические соединения, с которыми он сталкивается в течение жизни: продукты питания, косметика, бытовая химия и прочее. Это примерно 700 000 молекул.

Разложи по весам

Изучать молекулы можно с помощью масс-спектрометрии (МС). Это основной метод постгеномных омиксных технологий — направлений, которые используют полученную после расшифровки генома информацию.
Цель масс-спектрометрии — узнать молекулярный состав объекта, разложив его на «спектр» отдельных молекул. Процесс анализа состоит из нескольких стадий: подготовка образца (экстракция, центрифугирование, осаждение), разделение веществ в смеси (хроматография), ионизация (перевод нейтральных молекул раствора в заряженные газы) и измерение массы полученных частиц.

Так мы получаем три параметра: спектр, на который разложили объект, массу каждой отдельной молекулы и время выхода пиков, — благодаря которым можем идентифицировать вещество. Для этого существуют базы данных, но они содержат лишь 0,015 % всех известных соединений.

Найди отличия

С помощью масс-спектрометрии можно не только искать конкретное вещество, но и изучать, как меняется состав объекта при воздействии на него. Ученые из Мичиганского университета провели метаболомный эксперимент: подвергли мышь анестезии и эвтаназии и наблюдали, как изменился молекулярный профиль ее органов.
Благодаря липидомному анализу, сравнивая пьющих и непьющих людей, медики обнаружили маркер употребления алкоголя — фосфатидилэтанол (PEth). Сегодня рассматривают идею использовать этот анализ для диагностики «скрытого» алкоголизма.

С омиксными технологиями мы сталкиваемся, даже когда сдаем кровь в поликлинике. При анализе можно выявить маркеры различных заболеваний и повреждений органов, а не только количество тромбоцитов и лимфоцитов.

Смотри шире

Недавно выделившаяся в отдельную область, SpatialOMx занимается изучением пространственного распределения молекул. Для этого делают тонкие срезы объекта, каждый слой разбивают на «пиксели», в каждый из которых стреляют лазером, чтобы выбить из данной точки молекулы. Обработав данные, можно, например, изучить как путь лекарства в тканях или диагностировать патологические изменения.