Геномика биоразнообразия

01Обзор и цепочка создания стоимости

Маркеры: [EC: Convention on Biological Diversity | OECD: genomics-bioinformatics | Regulator: USDA-APHIS, EFSA, MOA]

Геномика биоразнообразия направлена на расшифровку генетических чертежей всего эукариотического биоразнообразия планеты. Earth BioGenome Project (EBP) — часто называемая «Лунной программой биологии» — является центральной инициативой: 10-летний консорциум, цель которого — секвенировать, каталогизировать и в открытом виде опубликовать эталонные геномы хромосомного уровня для всех примерно 1,5-1,8 млн эукариотических видов (растений, животных, грибов и протистов). Этот архив лежит в основе трёх направлений применения: биоразведка (поиск путей синтеза вторичных метаболитов для переноса в синбио-шасси ради лекарств и зелёной химии), природоохранная генетика (выявление инбредной депрессии и разрешение спорной таксономии для программ генетического спасения) и продовольственная безопасность (перенос генов устойчивости от диких сородичей культурных растений в коммерческие сорта средствами геномного редактирования). В связи со снижением стоимости секвенирования ниже 1000 долларов за высококачественный эталонный геном акцент сместился на автоматизированное выделение ультрадлинной ДНК и открытый децентрализованный обмен данными.

Ключевые направления геномики биоразнообразия:

1. Генерация эталонных геномов: Создание сборок на хромосомном уровне для ключевых и исчезающих видов.
2. Мониторинг экологической ДНК (eDNA): Отслеживание изменений биоразнообразия путем секвенирования ДНК, попадающей в почву и воду.
3. Биоразведка (Bioprospecting): Поиск в геномных базах данных новых ферментов и вторичных метаболитов для промышленного использования.
4. Природоохранная генетика: Оценка генетического разнообразия внутри изолированных популяций для управления программами разведения.

Отраслевая цепочка создания стоимости

[Сбор образцов] ──> [Выделение ДНК] ──> [Секвенирование] ──> [Биоинформатическая сборка]
                                  │
                           (Аннотация)
                                  │
                                  ▼
[Мониторинг экосистем] <─── [Открытое архивирование данных] <─────┘

Уровни цепочки создания стоимости

Сквозные технологии сектора:

• Секвенирование длинных прочтений: Технологии, такие как Nanopore и PacBio, позволяющие получать высоконепрерывные сборки геномов.
• Пространственная транскриптомика: Картирование экспрессии генов непосредственно в срезах тканей для понимания сложной биологии.
• Облачные вычисления: Масштабная инфраструктура, необходимая для обработки петабайт геномных данных.

02США

США выступают в качестве центрального административного узла глобальных инициатив в области биоразнообразия, координируя стандарты и протоколы данных для Earth BioGenome Project.

Координация EBP, высокопроизводительное секвенирование, облачная инфраструктура

• Координационный хаб EBP: UC Davis (рабочая группа Харриса Левина) координирует глобальную сеть EBP и метрики качества сборки (contig N50 выше 1 Мб, точность оснований выше Q40).
• Vertebrate Genomes Project: группа Эриха Джарвиса в Рокфеллеровском университете ведёт VGP — проект эталонных геномов для всех примерно 70 000 видов позвоночных на прочтениях PacBio HiFi.
• Коллекции Смитсоновского института и NCBI: Смитсоновский институт обеспечивает курацию образцов и ваучеров для американских инициатив по секвенированию экосистем, а NCBI архивирует открытые геномные данные.

03КНР

Китай инвестирует значительные средства в масштабную инфраструктуру секвенирования, используя автоматизацию для быстрого секвенирования тысяч азиатских видов растений и животных.

Stereo-seq, Проект 10KP, массовая автоматизация

• Пространственная геномика: BGI-Research сочетает запатентованную платформу пространственной транскриптомики Stereo-seq с полногеномной сборкой редких растений Азии.
• Масштабные проекты: программы «10 000 геномов растений» (10KP) и сопутствующие эукариотические проекты секвенируют мхи, папоротники, водоросли и эндемичных животных на платформах DNBSEQ от BGI; Куньминский институт зоологии ведёт крупнейшие базы эволюционной зоогеографии диких млекопитающих Китая.
• Национальные базы данных: Национальный генбанк Китая (CNGB) надёжно размещает колоссальные наборы данных о биоразнообразии страны.

04ЕС

ЕС концентрируется на глубокой экологической геномике, секвенируя целые экосистемы, чтобы понять последствия изменения климата и открыть новые биопродукты.

Древо жизни Дарвина, морская геномика, суверенитет данных

• Darwin Tree of Life: проект DtL под руководством Института Сенгера ставит цель секвенировать все примерно 70 000 эукариотических видов Британии и Ирландии, обеспечивая один из самых производительных в мире конвейеров сборки de novo.
• Морская биоразведка: французский Genoscope секвенирует океанские микробиомы (в частности, экспедиции Tara Oceans), выявляя ферменты экстремофилов для зелёной химии.
• Алгоритмы сборки и открытые данные: Институт Макса Планка (лаборатория Майерса) разрабатывает математический аппарат графов перекрытий, лежащий в основе современных ассемблеров, а EMBL-EBI размещает открытую европейскую биоинформатическую инфраструктуру.

05Ведущие компании и исследовательские институты

06Стек технологий и инновации

Современная геномика биоразнообразия полностью зависит от прорывов в выделении ультрадлинных молекул ДНК и алгоритмической сборке высокоповторяющихся регионов.

1. Выделение ВМС (UHMW) ДНК:
   • магнитные диски Nanobind (нанокремнезёмное покрытие) мягко наматывают ультрадлинную ДНК при покачивании, сохраняя фрагменты длиной более 100 т.п.н., необходимые для секвенирования длинных прочтений.
   • мягкий низкосдвиговый лизис сохраняет хромосомы мегабазной длины, которые спиновые колонки фрагментировали бы.
2. Технологии секвенирования:
   • PacBio HiFi и Oxford Nanopore дают многокилобазные прочтения выше Q30, разрешающие повторяющиеся регионы, недоступные коротким прочтениям.
   • определение конформации хроматина Hi-C фиксирует хроматин формальдегидом и лигирует физически близкие участки ДНК, создавая карту контактов для сборки контигов в хромосомы.
3. Биоинформатические алгоритмы:
   • Hifiasm строит точные контиги из HiFi-прочтений, Purge_dups удаляет гаплотипные дубликаты, а YaHS упорядочивает контиги в скаффолды хромосомного уровня по контактам Hi-C.
   • пайплайны ИИ-аннотации, такие как Braker3, быстро размечают гены, регуляторные элементы и кластеры биосинтетических генов у новых видов.

07Цепочки создания стоимости и производственные конвейеры

Промышленный конвейер создания эталонного генома (Стандарты EBP)

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. Tissue Sampling        │ ───> │ 2. UHMW DNA Extraction    │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. Bioinformatics Assembly│ <─── │ 3. Long-Read Sequencing   │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. Gene Annotation        │ ───> │ 6. Public Release         │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

Этап 1: Отбор образцов тканей

Полевые биологи собирают свежие образцы тканей, мгновенно замораживая их в жидком азоте для идеального сохранения целостности клеточной ДНК.

Этап 2: Выделение ВМС (UHMW) ДНК

Лаборатории используют специализированные магнитные нанодиски для бережного выделения сверхвысокомолекулярной ДНК без механического разрушения.

Этап 3: Секвенирование длинных прочтений

Выделенная ДНК обрабатывается в системах Nanopore или PacBio, генерируя массивные наборы данных непрерывных мульти-килобазных прочтений.

Этап 4: Биоинформатическая сборка

Суперкомпьютеры запускают сложные графовые алгоритмы для объединения прочтений, используя данные Hi-C для формирования из контигов целых хромосом.

Этап 5: Аннотация генов

Автоматизированные конвейеры ИИ сканируют собранные хромосомы для выявления генов, регуляторных элементов и структурных вариаций.

Этап 6: Публичный релиз

Полностью курируемый высококачественный эталонный геном загружается в центральные базы данных, такие как GenBank или ENA, для открытого научного доступа.