GATCGGenerator: новый генератор для создания квазислучайных нуклеотидных последовательностей

Введение. В последние десятилетия знания о ДНК все шире применяются для решения небиологических задач (вычисления с помощью ДНК, долговременное хранение информации). В первую очередь речь идет о случаях, когда необходимо подобрать искусственные нуклеотидные последовательности. Для их создания используются специальные программы. Однако существующие генераторы не учитывают физико-химические свойства ДНК и не позволяют получать последовательности с явно выраженной «небиологической» структурой. Фактически они генерируют последовательности, распределяя нуклеотиды случайным образом. Целью данной работы является создание генератора квазислучайных последовательностей с особой нуклеотидной структурой. Он должен учитывать некоторые физико-химические особенности нуклеотидных структур и будет задействован при хранении небиологической информации в ДНК.Материалы и методы. Описано новое программное обеспечение GATCGGenerator для генерации квазислучайных последовательностей нуклеотидов. Оно предоставляется как SaaS (от англ. software as a service - программное обеспечение как услуга), что обеспечивает его доступность с разных устройств и платформ. Программа генерирует последовательности определенной структуры с учетом гуанинцитозинового (GC) состава и содержания динуклеотидов. Представлена работа алгоритма новой программы. Требования к сгенерированным нуклеотидным последовательностям заданы с помощью чата в «Телеграм» (Telegram), наглядно показано взаимодействие с пользователем. Определены и обобщены различия входных параметров и получаемых в результате работы программы конкретных нуклеотидных структур. Также в сопоставлении даны временные затраты генерации последовательностей при различных входных данных. Изучены короткие последовательности, различающиеся по типу, длине, GC-составу и содержанию динуклеотидов. В табличном виде показано, как в этом случае соотносятся входные и выходные параметры.Результаты исследования. Созданное программное обеспечение сравнили с существующими генераторами нуклеотидных последовательностей. Установлено, что генерируемые последовательности отличаются по структуре от известных ДНК-последовательностей живых организмов, а значит, могут быть использованы в качестве вспомогательных или маскирующих олигонуклеотидов, пригодных для молекулярно-биологических манипуляций (например - реакции амплификации), а также для хранения в молекулах ДНК небиологической информации (изображений, текстов и т. д.). Предложенное решение дает возможность формировать специфические последовательности длиной от 20 до 5 000 нуклеотидов с заданным числом динуклеотидов и без гомополимерных участков. Более жесткие условия генерации снимают известные ограничения и позволяют создавать квазислучайные последовательности нуклеотидов по заданным входным параметрам. Кроме количества и длины последовательностей можно заранее определить GC-состав, содержание динуклеотидов и природу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).Приводятся примеры коротких последовательностей, различающихся по длине, GC-составу и содержанию динуклеотидов.Полученные 30-нуклеотидные последовательности прошли проверку. Установлено отсутствие 100-процентной гомологии с известными ДНК-последовательностями живых организмов. Максимальное совпадение наблюдалось для сгенерированных последовательностей длиной 25 нуклеотидов (сходство около 80 %). Таким образом доказано, что GATCGGenerator может с высокой эффективностью генерировать небиологические нуклеотидные последовательности.Обсуждение и заключение. Новый генератор позволяет создавать нуклеотидные последовательности in silico с заданным GC-составом. Решение дает возможность исключить гомополимерные фрагменты, что качественно улучшает физико-химическую стабильность последовательностей.