Моделирование первичных данных одномолекулярного секвенатора. Ч. 1. Симуляция детектирования излучения волновода нулевой моды

В статье показывается, что введение новых элементов в схему голографического интерференционного микроскопа для исследования фазовых микрообъектов позволяет более эффективно производить регулировку и перестройку микроскопа. Приводится математическое описание микроскопа и методика его настройки. В работе предложена стохастическая имитационная модель процесса детектирования флуоресценции меченных нуклеотидов при одномолекулярном секвенировании в четырех спектральных каналах. Обеспечена многофакторная имитация сигналов детектора. В первой части статьи описан алгоритмический шаблон для моделирования отклика светочувствительных элементов видеокамеры на свет, поступающий из одного волновода нулевой моды в одном спектральном диапазоне в процессе секвенирования одиночной молекулы ДНК. Введено понятие "базового изображения", имитирующего число фотоэлектронов в сенсорах за время экспозиции. Область симуляции такого изображения представляет собой квадратное поле размером (2 × 2), …, (5 × 5) пикселей, суммарная яркость которого дает единичный отсчет трейса в данном канале. Рассматриваются три режима формирования базового изображения: 1) только темновой ток, 2) фоновое излучение при отсутствии встраивания нуклеотида и 3) световое пятно флуоресцентной вспышки с фоновым уровнем при встраивании. Для моделирования базового изображения приведен пошаговый алгоритм: задание размеров и смещения пятна, амплитуд флуоресценции и фона; формирование двумерных гауссовых распределений для фона и сигнала и их суммирование; учет сигнал-зависимого шума с использованием аппроксимации результатов экспериментов с детектором и сигнал-независимого шума с использованием нормального распределения и параметров камеры; задание смещения нулевого уровня и финальное суммирование шумовых компонентов с изображением. Также описан алгоритм моделирования фонового сигнала с учетом спектральной помехи от соседних каналов. Разработана программа-симулятор первичных цифровых данных одномолекулярного секвенатора, обеспечивающая имитацию результатов секвенирования в форматах FASTA, TRACE и MOVIE. На вход симулятора может быть подана реальная последовательность ДНК, полученная из геномной базы.