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      作者:Bonnie Berger 來源:《細胞系統》 發布時間:2021/9/18 16:48:09
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      只要幾分鐘,科學家用個人電腦就能組裝完整基因組

       

      美國麻省理工學院和法國巴斯德研究所的科學家已經開發出一種在個人電腦上重建整個基因組(包括人類基因組)的技術。這種技術比目前最先進的方法快100倍,并僅使用1/5的資源。

      9月14日,相關研究發表于細胞出版社(Cell Press)旗下期刊Cell Systems。該技術使基因組數據的表達更緊湊,其靈感來源于為語言模型提供濃縮構建模塊的是單詞而非字母。

      “我們可以在一臺普通的筆記本電腦上迅速組裝整個基因組和宏基因組,包括微生物基因組。”麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室教授、論文作者Bonnie Berger說,“這種能力對于評估與疾病和細菌感染(如敗血癥)有關的腸道微生物群的變化至關重要,這樣我們就可以更快地治療疾病,拯救生命。”

      自人類基因組計劃以來,基因組組裝領域已經取得了長足進展。經過了10多年的國際合作,2003年,人類基因組計劃完成了第一個完整的人類基因組組裝,耗資約27億美元。

      雖然,目前人類基因組組裝項目不再需要幾年,但仍然需要幾天時間和巨大的計算機能力。研究人員表示,第三代測序技術提供了數以萬計堿基對的兆兆字節高質量基因組序列,但使用如此龐大的數據進行基因組組裝具有挑戰性。

      目前的技術涉及對所有可能的讀取結果進行配對比較,為了比目前技術更有效地實現基因組組裝,Bruijn和同事將目光投向了語言模型。從de Bruijn圖(一種用于基因組組裝的簡單、高效的數據結構)概念出發,研究人員開發了一種最小空間化的de Bruin圖(mdBG),它使用了核苷酸短序列而不是單個核苷酸。

      Bruijn說:“我們的mdBG只存儲了總核苷酸的一小部分,同時保留了整個基因組結構,這使它們比經典de Bruijn圖的效率高出幾個數量級。”

      研究人員用該方法收集了黑腹果蠅的高保真數據(幾乎具有完美的單分子讀取精度),以及太平洋生物科學公司提供的人類基因組數據。他們在評估所得基因組時發現,與其他基因組匯編器相比,基于mdBG的軟件所需時間僅為1/33、隨機存取內存為1/8。新軟件組裝高保真人類基因組數據,比Peregrine匯編器快81倍,內存使用量為1/18,比hifiasm匯編器快338倍,內存使用量為1/19。

      接下來,研究人員建立了一個包含661406個細菌基因組的索引,這是迄今為止同類索引中規模最大的。他們發現,這種新技術可以在13分鐘內搜索到所有的耐藥基因,而使用標準序列比對需要7個小時。

      Berger說:“我們知道該技術是有效的,但不知道在進一步優化代碼后,它能在真實數據上擴展得如此好。”

      巴斯德研究所研究員、該研究參與者之一的Rayan Chikhi說:“新技術不需要一些通常昂貴的預處理步驟,比如大多數基因組組裝方法需要的錯誤校正。”

      “我們還可以處理高達4%錯誤率的測序數據。”Berger補充說,“隨著錯誤率不同的長讀測序儀價格迅速下降,這種能力為測序數據分析大眾化打開了大門。”

      Berger指出,雖然該方法目前在處理太平洋生物科學公司高保真讀數時表現最好(錯誤率遠低于1%),但它可能很快就能與牛津納米孔的超長讀取兼容,目前牛津納米孔的錯誤率為5%~12%,但很快能到達4%。

      Berger說:“我們希望幫助科學家們建立快速的基因組檢測站點,超越可能會忽略基因組之間重要差異的PCR和標記陣列。”(來源:科學網 唐一塵)

      相關論文信息:https://www.doi.org/10.1016/j.cels.2021.08.009

       
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