Методическое пособие 764

хе от UБП

Чувствительность легированного ЧЭ к парам этилового спирта повысилась в 1,6 раза, а температура максимальной газовой чувствительности снизилась до 220 °С. Кроме того, в области низких температур (Т = 50 °С) появился ещѐ один пик, величина которого соизмерима со значением чувствительности до легирования (рис. 1). В таблице приведена рабочая температура датчика при соответствующих напряжениях на нагревателе (табл.).

Зависимость температуры от напряжения на нагревателе (БП)

Чувствительность к парам аммиака после легирования повысилась более чем в 2 раза, а температура максимальной газовой чувствительности понижается до 60 °С (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость Sg к парам водного раствора аммиака (2000 ppm) в воздухе от UБП

При дополнительном освещении УФ излучением значение Sg легированного ЧЭ к парам этилового спирта той же концентрации почти не изменилось, однако, максимум Sg достигается при более низкой температуре (Т = 175 °С). У контрольного ЧЭ пик небольшой, но температура, при которой происходит отклик, равняется 130 °С (рис. 3).

Значение газовой чувствительности легированного ЧЭ к парам аммиака при дополни-

211

тельной оптической активации в 5,5 раз превышает значение чувствительности без освещения (Sg = 111 отн. ед.). Пик чувствительности сдвигается не сильно (Т = 260 °С), однако, в области 250 °С у контрольного ЧЭ так же появляется чувствительность (рис. 4).

Рис. 3. Зависимость газовой чувствительности к парам этилового спирта (2000 ppm) в воздухе от UБП

Рис. 4. Зависимость Sg к парам водного раствора аммиака (2000 ppm) в воздухе от UБП

Как видно из рисунков, легирование солями нитрата серебра повышает Sg в несколько раз и сдвигает температуру максимальной чувствительности в область более низких значений (на 140 °С в парах этилового спирта и на 270 °С в парах аммиака). Кроме того, у легированного ЧЭ в парах этилового спирта при Т = 50 °С появляется ещѐ один пик, соизмеримый со значением газовой чувствительности до легирования ЧЭ. Дополнительная оптическая активация не сильно изменяет величину чувствительности легированного ЧЭ к парам этилового спирта, но отклик происходит при более низких температурах. Освещение легированного ЧЭ даѐт усиление отклика к парам аммиака в 5,5 раз, по сравнению со значением неосвещенного. Таким образом, поверхностная активация плѐнок диоксида олова легированием AgNO3 и воздействием УФ излучения является эффективным способом улучшения свойств газового датчика.

212

Литература

1.Таланчук П.М. Выходные информативные параметры полупроводниковых чувствительных элементов [Текст] / П.М. Таланчук, Т.Ю. Киричек // Диэлектрики и полупроводники. – 1989. – Вып. 35. – С. 93 – 100.

2.Тутов, Е. А. Твердотельные сенсорные структуры на кремнии [Текст] / Е.А. Тутов, С.В. Рябцев, А.В. Шапошник, Э.П. Домашевская. – Воронеж: ВГУ, 2010. – 231 с.

3.Papadopoulos C.A. A model for the gas sensing properties of tin oxide thin films with surfase catalysts [текст] / C.A. Papadopoulos, J.N. avaritsiotis // Sensors And Actuators, B. - V. 28.

-1995. - P.201 - 210.

4.Гуляев А.М. О воздействии оптического излучения на чувствительность газовых

сенсоров на основе пленок SnO2-x [текст] / А.М. Гуляев, Ле Ван Ван, О.Б. Сарач и др. // Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. Вып. 6. С. 742 – 746.

5.Рембеза, С.И. Особенности конструкции и технологии изготовления тонкопленочных металлооксидных интегральных сенсоров газов [Текст] / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов, Д.Ю. Куликов // Сенсор. – 2004. – №1 – С. 20 – 26.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

T.A. Perepechina, S.I. Rembesa, T.V. Svistova

IMPROVING THE GAS SENSITIVITY OF GAS SENSORS USING CATALYTIC AGENTS

AND OPTICAL EFFECTS

In this paper investigated the possibilities of improving the gas-sensor characteristics of semiconductor gas sensors by the surface activation of SnO2 + 1% Si films with an aqueous solution of silver nitrate salts and simultaneous exposure to UV light from low-power LEDs

Key words: gas sensor, metal oxide films, SnO2, AgNO3, gas sensitivity catalyst, optical activation, UV radiation, ethyl alcohol, ammonia

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh State

Technical University»

УДК 61+613.163-036.12-037.001.6

О.А. Попова, С.И. Картышева, И.Г. Гончарова

АНАЛИЗ ПРОЯВЛЕНИЯ БИОТРОПНОГО ЭФФЕКТА ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПРОГНОСТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

В ХРОНИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Эксперимент выполнен на белых лабораторных крысах-самцах, с начальным возрастом 4 месяца, подвергшихся хроническому воздействию импульсов электромагнитных полей (иЭМП) на протяжении 10 месяцев. Плотность наведенных токов (ПНТ)в теле крыс составляла: 0,37: 0,7; 0,8 и 2,7 кА/м2 с периодичностью 500, 100 и 50 импульсов в неделю независимо от их дробности и длительностью 15 ÷ 40 нсек. Анализ полученных результатов демонстрирует вариабельность формирования биотропного эффекта иЭМПв радиочувствительности морфоэнзимологических показателей слизистой оболочки тощей кишки, а также свидетельствует об их изменениях в возрастном аспекте прогноза при воздействии параметров иЭМП (ПНТ, частота, длительность воздействия), сохраняющие тенденции предшествующие прогнозируемому периоду

Ключевые слова: импульсы электромагнитных полей, радиочувствительность, прогностическое моделирование, морфоэнзимологические показатели, слизистая оболочка тощей кишки

Актуальность.

Интенсивное развитие технологий передачи и обработки информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, различных видов транспорта, а также ряда технологи-

213

ческих процессов сопровождающееся использованием электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что в последней трети XX века возник и сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды – электромагнитное поле (ЭМП) антропогенного происхождения. [6, 8, 9].

ЭМП, окружающие нас по всюду, оказывают существенное влияние на здоровье человека особенно в крупных городах, для которых характерна насыщенность разнообразными источниками и высокая плотность населения вынужденного жить в огромной электромагнитной «свалке» ежедневно подвергаясь непрерывному воздействию электромагнитных полей, что в свою очередь приводит к изменению характера экспозиции населения и пропорциональному увеличению числа людей, у которых появляются проблемы со здоровьем, связанные с их воздействием [2,4, 13].

Фактически, население живет в постоянно усиливающейся электромагнитной обстановке, под действием которой, по мнению JohanssonO. [13], формируется так называемый синдром электромагнитной гиперчувствительности. Предполагается, что в настоящее время среди городского населения имеется 1,5-12,0 % электрочувствительных людей. На основе анализа данных, полученных в Австрии, Германии, Великобритании, Ирландии, Швеции, Швейцарии и США Hallberg, Oberfeld и др. [11, 14] считают, что в результате постоянного действия ЭМП низкой интенсивности количество людей, обладающих гиперчувствительностью может увеличиться до 50% населения к 2020 году.

Уникальность биологического действия ЭМП по сравнению с другими физическими факторами воздействия проявляется в наличии эффекта последействия, причем максимальная биологическая реакция может проявляться именно в этот период, поэтому важным является процесс кумуляции, то есть накопления неблагоприятных реакций по мере повторных электромагнитных воздействий в течение длительного облучения [1].Данные работ [5, 7]показывают, что отдаленные неблагоприятные эффекты воздействия ЭМП спустя десятки лет могут быть более выраженными, связанные со снижением компенсаторных резервов организма и с ускорением процессов старения и приводящие к существенному увеличению частоты заболеваемости со стороны основных систем организма, оказывая дополнительное влияние на ухудшение здоровья населения.

Многочисленные данные экспериментальных и медицинских исследований убедительно свидетельствуют о том, что систематическое воздействие ЭМП определенных уровней может вызывать функциональные расстройства нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем. Установлено отрицательное влияние данного фактора и на половую функцию, гематологические показатели, показана способность ЭМП к снижению иммунологической реактивности организма, уменьшение его адаптивных резервов и увеличению риска заболеваний, а также возможность генетических и онкологических эффектов [3, 5, 10, 12].

Цель: Анализ чувствительности морфоэнзимологических показателей слизистой оболочки тощей кишки в возрастной динамике прогностического развития последствий хронического воздействия импульсов электромагнитных полей.

Материалы и методы.

Экспериментальная возрастная модель, выполненная на белых половозрелых лабораторных крысах-самцах (351 животное, 13 групп) составляла от 4 до 14 месяцев и для каждого срока эксперимента, был определен свой возрастной контроль.Животных подвергали воздействию редко повторяющихся широкополосных высокоамплитудных импульсов электромагнитного поля ультракороткой длительности (15÷40 нс) на протяжении 5, 7 и 10 месяцев. Уровни воздействующих иЭМП подбирались таким образом, чтобы плотность наведенных токов (ПНТ) в теле экспериментальных животных, была эквивалентна уровню в теле человека при его профессиональной деятельности и с учетом коэффициента перерасчета составила 0,37; 0,7; 0,8; 2,7 кА/м2. Эта градация дает адекватную возможность проведения как интерполяции, так и экстраполяции для других уровней ПНТ. В связи со статической неопределенностью периодичности работы персонала,эксплуатирующего испытательные установки –

214

источники электромагнитных импульсов,животные находились в свободном режиме передвижения,в условиях воздействия одноименного фактора при моделировании. Количество импульсов, подаваемых в неделю на каждом уровне воздействия, составляло 50, 100 и 500, независимо от их дробности. Источниками, генерировавшими импульсы ЭМП, служили установки ПК-4, ОМ-20Т «Ладога-М», ПК-5.

Хронический эксперимент продолжался 10 месяцев. Экспериментальная возрастная модель для крыс соответствовала от 4 до 14 месяцев, что эквивалентно профессиональному воздействию для персонала от 22 до 45 лет. Эвтаназия экспериментальных и контрольных животных осуществлялась декапитацией, которая проводилась в одно и тоже время суток с предварительной наркотизацией. Взятие биологического материала производили через 5, 7 и 10 месяцев воздействия иЭМП.

При извлечении тощей кишки после декапитации на гистологических срезах измеряли высоту ворсинок и глубину крипт, подсчитывали митотически делящиеся эпителиоциты крипт, гистохимически выявляли тучные клетки и энзиматические показатели столбчатых эпителиоцитов слизистой оболочки тощей кишки, позволяющих оценить степень поражаемости и определить возможности гомеостаза на уровне организме.

Результаты исследования.

Установлено, что между параметрами иЭМП: продолжительностью воздействия, ПНТ, периодичностью импульсов и динамикой изучаемых показателей морфофункционального состояния слизистой оболочки тощей кишки существуют множественные связи. На основе этого был проведен сравнительный анализ выявленных изменений от сочетанного воздействия изучаемых параметров иЭМП с целью определения наиболее чувствительных показателей слизистой оболочки тощей кишки. В качестве инструментального метода сравнения использован дисперсионный анализ, поскольку изучаемые показатели имели различную размерность. Тактика проведения анализа состояла в выявлении статистически значимых зависимостей каждого из изученных показателей слизистой оболочки тощей кишки и установлении наиболее чувствительных из них к воздействию иЭМП с различными параметрами.

Анализ чувствительности компонентов системы «ворсинка-крипта» в условиях эксперимента показал их достоверную зависимость от всех параметров воздействия иЭМП, с прямой направленностью от ПНТ и обратной от времени и периодичности, сопровождаемое увеличением высоты ворсинок, видимо, как следствие изменения функциональной активности слизистой оболочки тощей кишки, то есть возникновение и развитие адаптивного эффекта. У контрольных животных в наблюдаемый и прогнозируемый возрастной период наблюдалось отсутствие значимых изменений высоты ворсинок и глубины крипт. При воздействии ЭМИ с ПНТ 0,37 кА/м2 и периодичностью 100 и 50 И/н, а также с ПНТ 2,7 кА/м2 и всех значениях периодичности импульсов в неделю наблюдалось существенное снижение высоты ворсинок. При ПНТ 0,7 кА/м2 и 0,8 кА/м2, напротив, происходило увеличение их длины при периодичности 50 И/н, а также 100 и 500 И/н соответственно. Увеличение глубины крипт для всего прогнозируемого периода наблюдалось при воздействии иЭМП с ПНТ 0,37 кА/м2 и периодичностью 500 И/н, 0,7 кА/м2 с периодичностью 50 и 100 И/н, а также при 0,8 кА/м2 с периодичностью 100 и 500 И/н.

Изменения активности кислой фосфатазы в условиях эксперимента достоверно зависели от ПНТ и продолжительности воздействия иЭМП, а активность щелочной фосфатазы только от продолжительности воздействия и имела обратную направленность, то есть увеличение времени воздействия электромагнитного фактора вызывало понижение ее активности, предполагая реализацию «время-эффекта».

Активность гистоэнзимологических показателей у контрольных животных в прогнозируемый период достоверно снижалась. В эксперименте в большинстве случаев данная тенденция сохраняется независимо от ПНТ и периодичности импульсов в неделю. Повышение активности щелочной фосфатазы во временной динамике регистрируется лишь при воздействии иЭМП с ПНТ 0,37 кА/м2 и периодичностью 50 И/н . Воздействие иЭМП с ПНТ 0,37

215

кА/м2 и периодичностью 50 и 100 И/н, ПНТ 0,7 и 0,8 кА/м2 с периодичностью 50 и 500 И/н и ПНТ 2,7 кА/м2 с периодичностью 500 вызывало снижение активности ферментов, однако реализация этого эффекта при частоте 500 И/н осуществлялась на более высоком уровне чем в контроле. В условиях применения остальных частот прогнозировалось повышение активности кислой фосфатазы к последнему сроку.

На чувствительность недифференцированных эпителиоцитов из совокупности действующих факторов иЭМП наиболее достоверно влияли только продолжительность действия и ПНТ, которые имели обратные эффекты, то есть увеличение достоверно влияющих параметров иЭМП приводило к снижению митотической активности недифференцированных эпителиоцитов крипт.

Следует отметить, что при 7-ми и 10-тимесячном воздействии иЭМП с ПНТ 0,8 кА/м2, периодичностью 50 и 500 И/н соответственно, был установлен так называемый «эффект окна», проявляющийся отсутствием изменений митотической активности недифференцированных эпителиоцитов в эксперименте и контроле, по-видимому, как проявление толерантности к определенному комплексному воздействию некоторых параметров иЭМП.

Прогностическое моделирование митотической активности недифференцированных эпителиоцитов крипт у контрольных животных свидетельствовало о ее достоверном снижении для всех временных параметров. При воздействии иЭМП с ПНТ 0,7 кА/м2 с периодичностью 50 И/н и ПНТ 2,7 кА/м2 с периодичностью 100 И/н наблюдалось существенное снижение митотической активности недифференцированных эпителиоцитов за прогнозируемый период. При ПНТ 0,37 кА/м2 и 0,8 кА/м2, напротив, происходило ее повышение с достоверными значениями при периодичности 500 и 100 И/н соответственно.

Чувствительность популяции тучных клеток зависела от продолжительности воздействия иЭМП и ПНТ, причем их биоэффекты были однонаправленными, то есть, с увеличением их показателей общее число тучных клеток повышалось. Морфофункциональные типы тучных клеток имели разнонаправленную зависимость от всех параметров иЭМП, с увеличением числа недегранулированных форм в хронодинамике и обратным эффектом для ПНТ.

Построение прогностической модели для возрастного биологического контроля по отношению к общему числу тучных клеток позволило выявить их снижение на протяжении всего прогнозируемого периода. В условиях воздействия иЭМП, напротив, все сочетания параметров приводили к увеличению общего числа тучных клеток.

Вывод.Таким образом, проведенный комплексный анализ проявлений биотропного эффекта иЭМП, а так же радиочувствительности и прогнозирования морфоэнзимологических показателей слизистой оболочки тощей кишки, позволяет проследить динамику изучаемой системы и отражает реально существующие уровни проявления неблагоприятного воздействия параметров иЭМП, зависимость между совокупностью которых с соотносимыми морфологическими признаками отклика позволит оценить риск хронического облучения от их сочетанного воздействия и предопределить разработку мероприятий по своевременной защите.

Литература

1.Григорьев, О.А. Биоэлектромагнитный терроризм: анализ возможной угрозы [Текст]/ О.А. Григорьев [и др.] // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений за 2004-2005: сб. тр. – Москва: Изд-во АЛАНА, 2006. – С.

205-216.

2.Григорьев, Ю.Г. Мобильная связь и здоровье населения. Оценка опасности, социальные и этические проблемы [Текст] / Ю.Г. Григорьев, О.А. Григорьев // Радиационная биология. Радиоэкология. – Москва: «Наука», 2011. – Т. 51, №3. – С. 357-368.

3.Григорьев, Ю.Г. Электромагнитные поля и здоровье человека[Текст] / Ю.Г. Григорьев. Москва, 2002. – 177 с.

216

4.Григорьев, Ю.Г. Электромагнитные поля нетеплового уровня и оценка возможного развития судорожного синдрома [Текст]/ Ю.Г. Григорьев, А.В. Сидоренко // Радиационная биология. Радиоэкология. – Москва: «Наука», 2010. – Т. 50, №5. – С. 552-559.

5.Экспериментальная магнитобиология: воздействие полей сложной структуры [Текст]/М.В. Грязев, Л.В.Куротченко, С.П.Куротченко и др. – Москва - Тверь - Тула: "Триада", 2007. – 112 с.

6.Гигиена: словарь-справочник [Текст]/ П.И.Мельниченко, И.Б.Ушаков, В.И.Попов и др. –Москва: Высшая школа, 2006. – 400 с.

7.Никитина А.В. Резервы организма, ускоренное старение и сокращение продолжительности жизни человека в условиях длительного действия ЭМП РЧ нетепловых интенсивностей, а также ряда других стрессорных факторов [Текст] / А.В. Никитина, А.В. Шафиркин, А.Л. Васин // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений за 2007 год: сб. тр. – Москва: АЛЛАНА, 2007. – С. 50-88.

8.Экология человека и профилактическая медицина [Текст]/ И.Б. Ушаков, П.С.Турзин, Н.А. Агаджанян и др. – Воронеж: ИПФ «Воронеж», 2001. – 488 с.

9.Bienkowski, P. Electromagnetic Measurements in the Near Field [Тext] / P.Bienkowski, H.Trzaska – NC, 2010. – 49 p.

10.Black, D.R.Radiofrequency effects on blood cells, cardiac, endocrine, and immunological functions [Тext] / D.R. Black, L.N.Heynick// Bioelectromagnetics. – 2003. – P. 187-195.

11.Hallberg, O.Electromagnetic fields and the essence of living systems[Тext] / О. Hallberg,G.Oberfeld//Electromagnetic Biol. Med. – 2006. – P. 189-191.

12.Jauchem, J.R. Effects of low-level radio-frequency (3kHz to 300GHz) energy on human cardiovascular, reproductive, immune, and other systems: a review of the recent literature [Тext] / J.R.Jauchem// Int. J. Hyg. Environ. Health. – 2008. – V. 211, № 1-2. – P. 1-29.

13.Johansson, O. Aspects of studies on the functional impairment electrohypersensitivity[Тext] / О. Johansson// Int. conf. «Electromagnetic fields and health - a global issue». – London, 2008. – P. 31-34.

14.Levallois, P.Study of selfreported hypersensitivity to electromagnetic fields in California [Тext] / P. Levallois, R. Neutra., G. Lee, L. Hristova// Environ. HealthPerspect. – 2002. – V. 110. – P. 619-623.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный педагогический университет»

O.A. Popova, S.I. Kartysheva, I.G. Goncharova

ANALYSIS OF MANIFESTATION OF THE BIOTROPIC EFFECT OF ELECTROMAGNETIC FIELDS IMPULSES UNDER PROGNOSTIC MODELING IN THE CHRONIC EXPERIMENT

The experiment was performed on white laboratory male rats, with an initial age of 4 months, subjected to chronic effects of electromagnetic fields impulses (EMFI)for 10 months. The density of induced currents in the body of rats was: 0.37: 0.7; 0,8 and 2,7 kA / m2 with a frequency of 500, 100 and 50 pulses per week, regardless of their fractionality and duration of 15-40 nsec.The analysis of the obtained results demonstrates the variability in the formation of the biotropic effect of the parameters EMFI in the radiosensitivity of the morphoenzymological parameters of the jejunum mucosa, and also indicates their changes in the age aspect of the prognosis under the influence of EMF (density of the induced currents, frequency, duration of exposure), preserving trends preceding the predicted period

Key words: electromagnetic fields impulses, radiosensitivity, prognostic modeling, morphoenzymological parameters, jejunum mucous membrane

Federal State Budgetary Educational Institution ofHigher Education "Voronezh State Pedagogical University"

217

СЕКЦИЯ 5. ЭКОНОМИКО-ПРАВОВЫЕ, ФИЛОСОФСКИЕ И МЕДИКО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОСФЕРНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

УДК 57.087.1

Д. П. Артанова, Н. Н. Яцков, В. В. Гринев ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СБОРКИ ТРАНСКРИПТОМА ЧЕЛОВЕКА

Аннотация: в работевыполнена сборка транскриптома человека против референсной послендовательности, реализована имитационная модель секвенирования генома, даны рекомендации для оптимальной программной реализации сборки транскриптома против референсной последовательности на персональном компьютере

Ключевые слова: секвенирование транскриптома, сборка транскриптома, секвенирование нового поколения, сборка de novo, сборка против референсной последовательности, моделирование ридов РНК

Введение.

Эффективное применение алгоритмов и программных средств сборки секвенированных последовательностей ДНК и РНК является одной из важнейших задач биоинформатики [1]. Что обусловлено непрекращающимся развитием технологий секвенирования нового поколения, с помощью которых создаются короткие прочтения ДНК или риды. Выделяют два принципиально различных подхода к сборке: с использованием референсной последовательности, некоторого уже собранного транскриптома или генома подобного организма, и сборка de novo. Использование данных подходов является сложной вычислительной задачей.

Целью работы является исследование наиболее популярных программных средств сборки транскриптома против референсной последовательности на примерах смоделированных наборов данных и в процессе сборки прочтений транскриптома человека, а также разработка программной реализации оптимального способа сборки в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. В качестве референсноой последовательности использовался чело-

века hg38.

Моделирование прочтений.

Моделирование данных секвенирования представляет собой программную генерацию прочтений последовательности нуклеотидов. В ходе моделирования генерируются риды с заданными характеристиками (длина или закон распределения длин, процентное содержание ошибок и закон их распределения, уровни экспрессии генов).

В процессе моделирования данных секвенирования выделяют 2 этапа:

-фрагментация;

-секвенирование.

На этапе фрагментации последовательность, формирующая риды, разбивается на участки – транскрипты, закон распределения длин которых (нормальный или любой по выбору пользователя) передается в качестве параметра функции, выполняющей фрагментацию. На этапе секвенирования с полученных фрагментов последовательности считываются прочтения.

Для моделирования прочтений использовался программный пакет Polyester. Сборка с выравниванием на референс.

Основная идея алгортитмов сборки последовательностей с выравниванием на референс состоит в определении в референсной последовательности участков, максимально похожих на экспериментальные прочтения картировании прочтений [2]. В связи с тем, что геном человека состоит из более чем трех миллиардов пар нуклеотидов, задача имеет большую вычислительную сложность.

Процесс сборки с выравниванием на референс можно разделить на три этапа: - индексирование референсной последовательности;

218

-картирование прочтений;

-поиск вариантов и сборка.

Индексирование референсной последовательности осуществляется таким образом, чтобы на этапе картирования, потребовалось меньше времени на поиск вхождения очередного рида. Референсная последовательность хранится в формате FASTA (Fast-All) – текстовом формате для нуклеотидных последовательностей, в котором азотистые основания обозначаются с помощью буквенных кодов. Другой популярный формат для хранения ридов, полученных в результате секвенирования –FASTQ (текстовый формат, где для нуклеотидов приводятся оценки качества прочтения в форме специального кода). После выравнивания ридов на референс файл с координатами ридов преобразуется в формат SAM (Sequence Alignment Map), затем в бинарную версию этого файла в формате BAM. На этапе поиска вариаций создается файл формата VCF (Variant Call Format), содержащий информацию о различающихся нуклеотидах референсной последовательности и ридах, а также о возможных причинах различия. На этапе сборки используется файл с проиндексированной референсной последовательностью.

Сборка транскриптома производилась на компьютере с процессором Intel Core i54210U @1.70 ГГц x4 и 8 ГБ оперативной памяти.

Для картирования экспериментальных прочтений на референсную последовательность использовались программные пакеты Bowtie 2 [3] и BWA [4]. В пакетах реализован алгоритм, использующий преобразование Барроуза—Уилера и FM-индекс [5,6]. В качестве референсной последовательности рассмотрен геном человека hg38, данные прдставлены в формате FASTA. В ходе анализа данных использовались программные пакеты SAMtools и

BCFtools.

Результаты. Смоделированы наборы прочтений с различающимися характеристиками, такими как длина и вероятность ошибочного нуклеотида. Характеристики наборов представлены в табл. 1.

На примерах смоделированных наборов данных проверена работа инструментов кар-

тирования BWA и Bowtie 2.

На наборе данных с прочтениями, длиной около 15 пар оснований (Dataset1), с задачей картирования не справился ни BWA, ни Bowtie 2. На наборе данных с прочтениями, длиной около 250 пар оснований (Dataset2), удалось выровнять на референс абсолютно все прочтения с помощью рассмотренных программных пакетов. BWA и Bowtie 2 успешно справились с обработкой данных, содержащих большое количество ошибок: на наборе данных, содержащем 5% ошибочных нуклеотидов (Dataset3), 99,7% прочтений успешно картированы. В результате проведенного исследования можно сделать вывод о том, что BWA и Bowtie 2 справились с задачей картирования, причем существует явная зависимость качества выравнивания прочтений от их длины и процентного содержания ошибочных нуклеотидов.

Экспериментальный набор содержит 101 948 412 парных прочтений. В результате работы BWA 80 354 002 (78,8%) прочтений выровнены на референс попарно. В результате работы Bowtie 2 попарно выровнены 78 527 108 (78%) прочтений. Около 1% прочтений не вы-

219

ровнены, что является приемлемым результатом картирования транскриптома человека.

При сборке в условиях ограниченных вычислительных ресурсов крайне важны встроенные средства оптимизации вычислений программных пакетов. В табл. 2 представлены оценки характеристик вычислительных ресурсов, используемых в процессе сборки смоделированных и экспериментально полученных нуклеотидных прочтений (через дробь указаны значения для смоделированных и экспериментальных прочтений).

Таблица 2

Характеристики потребляемых вычислительных ресурсов, используемых в процессе сборки смоделированных и экспериментально полученных нуклеотидных прочтений

Следует отметить необходимость учета емкости накопителя, используемого для хранения информации. Суммарный размер файлов, необходимых для сборки, составляет около

80 ГБ.

Заключение. В работе реализована имитационная модель секвенирования транскриптома и исследованы программные пакеты сборки транскриптома против референсной последовательности; предложен эффективный программный способ сборки транскриптома, включающий индексирование референсной последовательности и выравнивание на нее прочтений с помощью преобразования Барроуза—Уилера.Выполнен анализ смоделированных и экспериментальных прочтений транскриптома человека, проведена оценка вычислительных ресурсов, по результатом которой можно сделать следующие выводы:

-минимальное необходимое количество оперативной памяти для сборки транскриптома человека – 6 ГБ;

-примерное необходимое количество времени для сборки полного транскриптома человека – 23 ч;

-время сборки определяется вычислительной мощностью процессора и количеством процессорных единиц так как в некоторых программных пакетах, в том числе в Bowtie 2, существует возможность распараллеливать вычисления;

-при использовании предложенного программного способа, сборка транскриптома человека с выравниванием на референс выполнима в условиях ограниченных вычислительных ресурсов, например, на ПК.

Литература

1.Henson, J., Tischler, G., Nin, Z. Next-generation sequencing and large genome assemblies. PMC (2012)

2.Tamazian, G. Chromosomer: a reference-based genome arrangement tool for producing draft chromosome sequences. BioMed Central (2012)

220