Реагентно-программный комплекс для проведения таргетного анализа

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен реагентно-программный комплекс для проведения таргетного анализа. Комплекс включает реагенты для выделения нуклеиновых кислот из исследуемого образца, выбранный для вариабельных регинов V3-V4 для целей метагеномного анализа набор для метапрофилирования регионов генов 16s рРНК, набор для таргетного обогащения генов токсинов методом ПЦР, набор для таргетного обогащения генов токсинов методом гибридизации, набор магнитных частиц для очистки ПЦР-продуктов и выделения биотинилированных объектов из растворов, набор адаптеров для мультиплексирования образцов и реагенты для проведения пробоподготовки к секвенированию, а также программное обеспечение. Изобретение обеспечивает эффективную обработку образца с реализацией прямой интеграции получаемых результатов в информационную сеть.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области исследований и поиска патогенных микроорганизмов и их свойств в составе образцов различного происхождения: клинические образцы, потенциально опасные биологические объекты, образцы окружающей среды.

В данном описании использованы следующие термины:

РПК- реагентно-программный комплекс

ПБА - патогенные биологические агенты

ПО - программное обеспечение

АБР - антибиотикорезистентность.

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

НИЦ МБУ - Национальный интеграционный центр мониторинга биологических угроз

ПЦР - Полимеразная цепная реакция

РСоА - Principal Coordinate Analysis, анализ главных компонентов

рРНК - Рибосомные рибонуклеиновые кислоты

Уровень техники.

Из уровня техники известен автоматический сигнализатор (АСБ-1), включающий корпус, который представляет собой полую сферу, выполненную из алюминия, полированную внутри. С одной стороны сферы выполнено отверстие, которое соединено посредством магистрали с насосом. В центре сферы установлен ультрафиолетовый фотодиод, дающий УФ с длиной волны 260 нм. Также внутри сферы установлен фотоэлектронный умножитель для приема ультрафиолетовых лучей (ФЭУ), отгороженный от фотодиода перегородкой, непроницаемой для УФ-лучей. ФЭУ соединен с блоком обработки сигнала и сигнализирующим устройством обнаружения ДНК-содержащих биопримесей по поглощению УФ-лучей в анализируемом воздухе. В свою очередь, блок обработки сигнала соединен с сигнализирующим устройством обнаружения биопримесей с ДНК в анализируемом воздухе (RU 2672787 С1 19.11.18).

Кроме того из уровня техники известна система для быстрого детектирования присутствия инфекционного агента в биологическом образце, содержащая: а. один реагент биодатчика, включающий в себя по меньшей мере одно антитело, специфичное для предопределенного инфекционного агента, и биолюминесцентный агент, b. одноразовый утилизируемый тестовый картридж, причем упомянутый утилизируемый тестовый картридж включает в себя: (i) резервуарную карту, причем упомянутая резервуарная карта дополнительно включает в себя реагент биодатчика; (ii) основание тестового картриджа, выполненное с возможностью принимать резервуарную карту, и при этом основание тестового картриджа дополнительно включает в себя: (а) одну реакционную камеру, имеющую центральную ось, причем упомянутая одна реакционная камера имеет форму вращающегося полуэллипса; (b) входной канал, соединенный с реакционной камерой, расположенный над реакционной камерой под углом 15-60 градусов над горизонталью и смещенный от центральной оси реакционной камеры, и (с) основание тестового картриджа выполнено с возможностью принимать биологический образец через входной канал, и при этом реакционная камера выполнена с возможностью гомогенно смешивать биологический образец с реагентом биодатчика с минимизированием повреждения для живых клеток, генно-инженерных В-лимфоцитов и минимизированием любого образования пузырьков в смешанном реагенте биодатчика и биологическом образце, и с. блок тестирования, выполненный с возможностью принимать одноразовый утилизируемый тестовый картридж, причем блок тестирования включает в себя датчик для детектируемого светового сигнала, испускаемого реагентом биодатчика после вступления в реакцию с биологическим образцом, обозначать присутствие инфекционного агента в биологическом образце, и при этом датчик выполнен с возможностью детектирования специфического инфекционного агента в биологическом образце в реальном времени (RU 2600812 С2 27.102016).

Наиболее близким решением из области техники является «Автоматизированное рабочее место микробиолога, эпидемиолога и химиотерапевта» (Нехорошева А.Г. и др., Инновации программных продуктов и тест-систем в рамках «Автоматизации рабочего места микробиолога, эпидемиолога и химиотерапевта», Поликлиника, 2009, №1, с. 13). Указанное «рабочее место» включает набор реагентов, программное обеспечение и базу.

Однако известные ранее устройства и комплексы не позволяют эффективно обрабатывать данные секвенирования локуса 16S РНК; работать с таргетными панелями различного типа генов (например, кодирующих токсины); проводить полногеномный анализ с целью определения вида бактериального агента, а также его ключевых особенностей по части состава кодируемых ими токсинов, факторов вирулентности и генов антибиотикорезистентности.

Осуществление изобретения.

Заявленный реагентно-программный комплекс содержит:

набор реагентов для проведения идентификации и определения патогенных биологических агентов (далее ПБА), присутствия генетических детерминант, определяющих продукцию токсинов, в том числе - не присущих патогенным биологическим агентам, определяющих устойчивость биологических агентов к антимикробным препаратам, являющихся характерными признаками проведенной генетической модификации ПБА, представленных 16 «коробками» - 8 для lonTorrent и 8 для lllumina.

- Программное обеспечение (далее ПО) РПК, для обработки данных, записанное на электронный носитель.

- База данных, содержащая информацию о генетических детерминантах, позволяющих идентифицировать патогенные агенты бактериальной природы, бактериальные факторы вирулентности, гены антибиотикорезистентности, гены токсинов.

РПК существует в двух вариантах исполнения, в зависимости от выбранной платформы высокопроизводительного секвенирования. В рамках проводимых работ целесообразным является разработка РПК как минимум для платформ lllumina и lonTorrent. В каждый из типов упаковки помещаются платформо-независимые компоненты (наборы для выделения нуклеиновых кислот, наборы олигонуклеотидов для амплификации, магнитные микрочастицы для очистки нуклеиновых кислот) и платформо-зависимые компоненты (наборы для приготовления ДНК-библиотек, олигонуклеотидные блоки адаптерных последовательностей, адаптеры для мультиплексирования ДНК-библиотеке).

Задачей настоящего комплекса является получение, обработка, визуализация результатов исследования образца методом NGS с целью поиска бактерий, входящих в список, определенный санитарными правилами в отношении 3-4 групп патогенности, и выяснения профиля их опасности по содержанию генов токсинов, генов антибиотикорезистентности и генно-инженерных векторов для использования в составе сети Национального интеграционного центра мониторинга биологических угроз.

Технический результат настоящего изобретения заключается эффективной обработки образца за счет секвенирования локуса 16S РНК, таргентного анализа на панелях различного типа генов (например, генов, кодирующих токсины); полногеномного анализа с целью определения видов бактериальных агентов, а также их ключевых особенностей по части состава кодируемых ими токсинов, факторов вирулентности и генов антибиотикорезистентности, указанное реализуется за счет наличия в составе РПК реагентов, позволяющие осуществить прямое взаимодействие образца и реагентов с последующей высокоточной обработкой результатов реакции взаимодействия образца и реагентов с помощи программного обеспечения РПК.

Кроме того, разработка позволит реализовать прямую интеграцию получаемых результатов в информационную сеть НИЦ МБУ. Разрабатываемый РПК осуществляет высокопроизводительное секвенирование для поиска этиологических агентов различных заболеваний и оценке их степени биологической опасности, может быть использован в качестве методики для расшифровки вспышки инфекционных заболеваний, в том числе, антропогенного характера (биотерроризм). В зависимости от требований, предъявляемых в конкретных областях применения разрабатываемого РПК, существует возможность создания дополнительных наборов специфических олигонуклеотидов при использовании таргетного секвенирования. Наличие нескольких методов работы РПК позволяет оптимизировать работу под конкретную задачу, тем самым позволяя варьировать количество анализируемых проб и масштаб получаемой информации о составе патогенных микроорганизмов и их свойствах в исследуемом образце.

Раскрытие изобретения

Указанный технический результат реализуется за счет следующего состава РПК. Предложенный РПК выполнен с возможностью выполнения двух сценариев анализа: таргетного анализа, с использованием таргетной амплификации и/или гибридизации с последующим высокопроизводительным секвенированием;

и глубокий анализ с использованием тотального секвенирования, для этого РПК включает набор реагентов (далее ПБА):

- реагенты для выделения нуклеиновых кислот из исследуемого образца;

- набор для метапрофилирования - секвенирование V3-V4 регионов генов 16s рРНК;

- набор для таргетного обогащения генов токсинов методом ПЦР;

- набор для таргетного обогащения генов токсинов методом гибридизации;

- набор магнитных частиц для очистки ПЦР-продуктов и выделения биотинилированных объектов из растворов;

- набор адаптеров для мультиплексирования образцов;

реагенты, необходимые для проведения пробоподготовки к секвенированию; и программное обеспечение (ПО) РПК, которое представлено в виде веб-сервиса с разделением графического пользовательского интерфейса, серверной части, модуля для обработки данных и модуля обновления баз данных, при этом модули обработки данных содержат набор биоинформатических программных компонентов, предназначенных для выполнения отдельных стадий обработки данных высокопроизводительного секвенирования.

Таким образом, в состав разрабатываемого комплекта входят реагенты для выделения нуклеиновых кислот и реагенты для приготовления библиотек. При этом отмечено, что разработаны вновь только элементы, позволяющие проводить протокол ускоренного анализа, а именно набор специфических олигонуклеотидов, ускоряющих типирование бактерий и индикацию генов, кодирующих токсины. Остальные реагенты комплектуются таким образом, чтобы обеспечить выполнение полного цикла анализа методом секвенирования следующего поколения.

Реагенты для реализации протокола таргетного анализа

К РПК выполняет два протокола анализа, отличающихся, прежде всего, по детализации изучения исследуемого образца: 1) протокол ускоренного анализа с использованием таргетной амплификации и/или гибридизации с последующим секвенированием; 2) протокол глубокого анализа с использованием полногеномного секвенирования для идентификации патогенов, наличия генов токсинов, генов антибиотикорезистентности (далее АБР) и следов генно-инженерных модификаций. В настоящем разделе рассмотрим разработку реагентов для ускоренного анализа.

При этом протокол ускоренного анализа включает метапрофилирование с использованием гипервариабельного региона гена 16S рРНК, а также амплификацию или гибридизацию фрагментов генов токсинов бактериального происхождения. Для полного анализа исследуемого образца на наличие биопатогенов, генов АБР, токсинов, следов генно-инженерных манипуляций необходимо использовать протокол глубокого анализа.

Реагенты протокола для метапрофилирования

В данном случае в состав детектируемых микроорганизмов вошли бактериальные агенты 3-4 группы патогенности, и именно из представителей этой группы формируют тестовые панели микроорганизмов для РПК. При этом используется метод типирования 16S рРНК как наиболее достоверный и позволяющий получить информацию о бактериальном составе образца, содержащего даже незначительные количества нуклеиновых кислот, что принципиально важно для задач обеспечения биологической безопасности. Кроме того, используются базы данных нуклеотидных последовательностей рРНК, включая проекты Ribosomal Database Project (RDP), SILVA, Greengenes, которые могут быть использованы для классификации коротких и полноразмерных последовательностей 16S рРНК, что позволит провести стыковку с программной частью РПК.

Осуществляют взаимодействие полученного для исследования образца и реагентов для проведения того или иного протокола анализа.

Из 7 локусов 16S РНК по результатам предварительного анализа с использованием коммерческого набора Ion 16S™ Metagenomics Kit (Thermo Fisher Scientific, США) был выбран вариабельный регион V3-V4 как наиболее информативный для целей метагеномного анализа.

Реагенты для выявления генов токсинов

В данном случае для таргетного обогащения целевых последовательностей ДНК токсинов используют метод мультиплексной ПЦР и метод гибридизации зондов с ДНК-мишенями. Помимо олигонуклеотидов для таксономической характеристики исследуемых образцов, разработанный набор реагентов содержит олигонуклеотиды для идентификации всех генов токсинов из перечня СанПиН 1.3.2322-08, за исключением микотоксина, так как данный токсин продуцируется плесневыми грибами. Таким образом мультиплексная панель детектирует дифтерийный токсин (Diphtheria toxin), стрептококковый токсин группы A (Exotoxin type A speA), холерный токсин (Cholera enterotoxin subunit А и Cholera enterotoxin subunit В), ботулинический токсин типов A-G (Botulinum neurotoxin types A-G), столбнячный токсин (Tetanus toxin), стрептококковый токсин группы А, продуцентами которого могут быть Corynebacterium diphtheriae и Streptococcus pyrogenes которые, являются возбудителями респираторных заболеваний человека.

В рамках работы по выявлению и идентификации нуклеиновых кислот генов бактериальных токсинов был проведен анализ общедоступных баз данных Database of Bacterial Exotoxins for Human (DBETH) и GenBank NCBI. По результатам нуклеотидного выравнивания последовательностей генов токсинов были выявлены регионы, пригодные для последующего выбора олигонуклеотидов для амплификации с помощью метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Выбор олигонуклеотидов осуществлялся с использованием программ BioEdit version 7.0.5.3 и UGENE version 1.32.0. Основным критерием подбора олигонуклеотидов для таргетной амплификации являются:

- длина олигонуклеотидов: не менее 17 нуклеотидов.

- размер амплифицируемых фрагментов: от 200 до 600 нуклеотидов.

- праймеры не должны образовывать димеры и вторичные структуры.

- праймеры на разные мишени не должны образовывать димеров и вторичных структур и должны быть собраны в мультиплексную панель.

Полногеномный анализ

Выделенная из исследуемого образца ДНК фрагментируется, проводится очистка фрагментированной ДНК, восстановление концов и лигирование адаптеров с последующей очисткой на магнитных частицах. Для приготовления библиотек используются любые совместимые коммерческие наборы. В дальнейшем приготовленные библиотеки нормализуются и объединяются для последующего секвенирования. Полученные данные таргетного и полногеномного протоколов исследования загружаются и обрабатываются посредством ПО РПК.

Программное обеспечение (ПО) РПК представлено в виде веб-сервиса с разделением графического пользовательского интерфейса (включая модуль загрузки входных данных), серверной части, модуля для обработки данных и модуля обновления баз данных. Архитектура ПО РПК позволяет развертывать модули на отдельных компьютерах в составе локальной сети, в облаке или на отдельных компонентах вычислительных кластеров, что обеспечивает гибкость системы локализации для обеспечения доступа максимального количества потенциальных пользователей.

Графический интерфейс в совокупности с серверной частью позволяет регистрировать и авторизовывать пользователей в системе, загружать входные данные результатов высокопроизводительного секвенирования, задавать настройки анализа и запускать анализ данных, визуализировать результаты проведенных анализов и информацию о загруженных данных, взаимодействовать с базой данных РПК для просмотра и редактирования последовательностей. Серверная часть позволяет автоматически отправлять результаты анализа последовательностей в состав лабораторно-информационной системы Национального интеграционного центра мониторинга биологических угроз (НИЦ МБУ), а также проводить обновление ПО РПК.

Модули обработки данных содержат набор биоинформатических программных компонентов, предназначенных для выполнения отдельных стадий обработки данных высокопроизводительного секвенирования. Последовательное исполнение этих программ позволяет получать данные о присутствии патогенных микроорганизмов и их особенностях (включая информацию о генах интереса), выходные данные программ обрабатываются для формирования промежуточных и конечных отчетов, визуализируемых в графическом интерфейсе пользователя.

Модуль обновления баз данных позволяет в автоматическом режиме скачивать с заданных интернет-ресурсов файлы курируемых баз данных и импортировать их в базу данных РПК.

База данных, содержащая информацию о генетических детерминантах, позволяющих идентифицировать патогенные агенты бактериальной природы, и содержит в составе несколько открытых специализированных баз данных, таких как PATRIC, VFDB, ToxProt, Arachnoserver, UniVec, подмножество NCBI nt, SILVA, GreenGenes, RDP.

Осуществление изобретения.

РПК работает следующим образом, при получении объекта анализа, выбирается каким из методов будет проведен анализ полученного объекта. После выбора необходимого анализа осуществляют взаимодействие образца с необходимым реагеном для проведения анализа.

1. Таргетный анализ предназначен для быстрого поиска генов интереса (гены антибиотикорезистентности, гены токсинов) в данных высокопроизводительного секвенирования.

Реализованный алгоритм проведения ускоренного анализа данных заключается в последовательном исполнении трех стадий обработки: контроля качества, картирования прочтений на референсные последовательности и создания отчета. Отчет содержит в себе следующую информацию:

- имя гена интереса (мишени), найденного во входных последовательностях;

- длина мишени;

- длина участка покрытия мишени прочтениями входных последовательностей;

- ширина покрытия;

- глубина покрытия;

- количество картированных прочтений;

- процент картированных прочтений;

- количество различий между мишенью и входными последовательностями;

- идентичность;

- график покрытия мишени прочтениями входных последовательностей.

Анализ 16S рРНК предназначен для исследования метагеномных сообществ, оценки их разнообразия и различий в представленности между группами сравнения. Разработанный алгоритм состоит из двух основных этапов: контроля качества и комплексного анализа с помощью программного решения QIIME2. Этап анализа QIIME2 включает в себя несколько шагов:

поиск операционных таксономических единиц (OTU) во входных данных относительно выбранной пользователем базы данных (GreenGenes, SILVA) таксономическая характеристика полученных на вход данных секвенирования;

построение тепловой карты дифференциальной представленности;

построение альфа-разнообразия;

поиск достоверных различий альфа-разнообразия;

поиск достоверных различий бета-разнообразия;

построение трехмерных графиков для метода главных координат (РСоА) с помощью модуля Emperor.

Полногеномный вариант анализа данных предназначен для обработки данных шотган-секвенирования метагеномных образцов или изолятов патогенов. Данный тип анализа данных позволяет получить наибольшее количество информации, ценной для обеспечения биологической безопасности. Данный анализ подразумевает наличие пяти основных блоков функционала, которые пользователь ПО РПК может включать и выключать по своему усмотрению в интерфейсе.

Они включают в себя:

1. Контроль качества "сырых" прочтений.

2. Вычитание хозяйских последовательностей (например, последовательностей человеческой ДНК).

3. Таксономическую характеристику с целью поиска патогенных микроорганизмов.

4. Сборку контигов и их аннотацию.

5. Поиск генов интереса (гены антибиотикорезистентности, факторы вирулентности, гены токсинов, маркеры генно-инженерных манипуляций).

Промышленная применимость

Заявленный реагентно-программный комплекс может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включенного в формулу изобретения на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения и критерию «полнота раскрытия» для изобретения.

Реагентно-программный комплекс для проведения таргетного анализа, с использованием таргетной амплификации и/или гибридизации с последующим высокопроизводительным секвенированием и/или глубокого анализа с использованием тотального секвенирования, включает следующий набор реагентов:

- реагенты для выделения нуклеиновых кислот из исследуемого образца;

- набор для метапрофилирования регионов генов 16s рРНК, выбранный для вариабельных регинов V3-V4 для целей метагеномного анализа;

- набор для таргетного обогащения генов токсинов методом ПЦР;

- набор для таргетного обогащения генов токсинов методом гибридизации;

- набор магнитных частиц для очистки ПЦР-продуктов и выделения биотинилированных объектов из растворов;

- набор адаптеров для мультиплексирования образцов;

- реагенты, необходимые для проведения пробоподготовки к секвенированию;

и программное обеспечение, которое представлено в виде веб-сервиса с разделением графического пользовательского интерфейса, серверной части, модуля для обработки данных и модуля обновления баз данных, при этом модули обработки данных содержат набор биоинформатических программных компонентов, предназначенных для выполнения отдельных стадий обработки данных высокопроизводительного секвенирования, при этом реагентно-программный комплекс выполнен с возможностью проведения таргетного анализа, заключающегося в последовательном исполнении трех стадий обработки: контроля качества, картирования прочтений на референсные последовательности и создания отчета, который содержит информацию:

- имя гена интереса, найденного во входных последовательностях;

- длина мишени;

- длина участка покрытия мишени прочтениями входных последовательностей;

- ширина покрытия;

- глубина покрытия;

- количество картированных прочтений;

- процент картированных прочтений;

- количество различий между мишенью и входными последовательностями;

- идентичность;

- график покрытия мишени прочтениями входных последовательностей; при этом анализ 16S рРНК выполнен с возможностью исследования метагеномных сообществ, оценки их разнообразия и различий в представленности между группами сравнения, а алгоритм состоит из двух основных этапов: контроля качества и комплексного анализа с помощью программного решения QIIME2 и включает поиск операционных таксономических единиц (OTU) во входных данных относительно выбранной пользователем базы данных (GreenGenes, SILVA);

таксономическая характеристика полученных на вход данных секвенирования;

построение тепловой карты дифференциальной представленности;

построение альфа-разнообразия;

поиск достоверных различий альфа-разнообразия;

поиск достоверных различий бета-разнообразия;

построение трехмерных графиков для метода главных координат (РСоА) с помощью модуля Emperor;

кроме того, реагентно-программный комплекс выполнен с возможностью осуществления полногеномного анализа данных для обработки данных шотган-секвенирования метагеномных образцов или изолятов патогенов, для чего реагентно-программный комплес содержит пять основных блоков функционала, которые пользователь может включать и выключать по своему усмотрению в интерфейсе, которые включают в себя:

- контроль качества "сырых" прочтений;

- вычитание хозяйских последовательностей;

- таксономическую характеристику с целью поиска патогенных микроорганизмов;

- сборку контигов и их аннотацию;

- поиск генов интереса.