Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Зимняков Д. А., Алонова М. В., Скрипаль А. В., Добдин С. Ю., Федорова В. А. Малоугловая поляриметрия как метод идентификации последовательностей нуклеотидов в биоинформатике // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 1. С. 46-55. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-1-46-55, EDN: IQKRQK

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
01.03.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 126)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
535.512
EDN: 
IQKRQK

Малоугловая поляриметрия как метод идентификации последовательностей нуклеотидов в биоинформатике

Авторы: 
Зимняков Дмитрий Александрович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Алонова Марина Васильевна, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Скрипаль Анатолий Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Добдин Сергей Юрьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Федорова Валентина Анатольевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Рассмотрен метод идентификации символьных последовательностей, ассоциируемых с генетической структурой биологических объектов, с использованием принципов малоугловой поляриметрии. В рамках метода анализируемая символьная последовательность представляется двумерной фазомодулирующей матрицей, каждый элемент которой соответствует одному из четырех базовых нуклеотидов (аденину, цитозину, тимину, гуанину), а глубина модуляции фазы считывающего когерентного линейно поляризованного пучка определяется содержанием данного нуклеотида в соответствующем триплете в последовательности нуклеотидов. В результате дифракции считывающего когерентного пучка с плоскостью поляризации, ориентированной под углом 45° к сторонам фазомодулирующей матрицы, в приосевой области дальней зоны дифракции формируется пространственное распределение локальных состояний поляризации дифрагировавшего на матрице считывающего поля. Дискриминация локальных состояний поляризации в соответствии с предложенным алгоритмом позволяет синтезировать бинарное пространственное распределение, являющееся уникальным идентификатором анализируемой символьной последовательности. Моделирование процессов фазового кодирования и последующего анализа локальных состояний поляризации в приосевой области с использованием результатов секвенирования для штаммов «Ухань», «Дельта» и «Омикрон» вируса SARS-CoV-2 показало высокую чувствительность метода к локальным изменениям в структуре последовательностей нуклеотидов.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант РНФ № 22-21-00194).
Список источников: 
  1. Andelfinger G., Hitte C., Etter L., Guyon R., Bourque G., Tesler G., Pevzner P., Kirkness E., Galibert F., Benson D. W. Detailed four-way comparative mapping and gene order analysis of the canine ctvm locus reveals evolutionary chromosome rearrangements // Genomics. 2004. Vol. 83. P. 1053–1062. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2003.12.009
  2. Anisimova M., Bielawski J. P., Yang Z. Accuracy and power of Bayes prediction of amino acid sites under positive selection // Mol. Biol. Evol. 2002. Vol. 19. P. 950–958. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.molbev.a004152
  3. Rivas E., Eddy S. R. Noncoding RNA gene detection using comparative sequence analysis // BMC Bioinform. 2001. Vol. 2. P. 1–19. https://doi.org/10.1186/1471-2105-2-8
  4. Hwang D. G., Green P. Bayesian Markov chain Monte Carlo sequence analysis reveals varying neutral substitution patterns in mammalian evolution // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004. Vol. 101. P. 13994–14001. https://doi.org/10.1073/pnas.0404142101
  5. Eddy S. R. A model of the statistical power of comparative genome sequence analysis // PLoS Biol. 2005. Vol. 3. P. e10. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0030010
  6. Gitter A., Siegfried Z., Klutstein M., Fornés O., Oliva B., Simon I., Bar-Joseph Z. Backup in gene regulatory networks explains differences between binding and knockout results // Mol. Syst. Biol. 2009. Vol. 5. P. 276. https://doi.org/10.1038/msb.2009.33
  7. Cooper G. M., Brudno M., Green E. D., Batzoglou S., Sidow A. Quantitative estimates of sequence divergence for comparative analyses of mammalian genomes // Genome Res. 2003. Vol. 13. P. 813–820. https://doi.org/10.1101/gr.1064503
  8. Abnizova I., Walter K. Te Boekhorst R., Elgar G., Gilks W. R. Statistical information characterization of conserved non-coding elements in vertebrates // J. Bioinform. Comput. Biol. 2007. Vol. 5. P. 533–547. https://doi.org/10.1142/S0219720007002898
  9. Orlov Y. L. Te Boekhorst R., Abnizova I. I. Statistical measures of the structure of genomic sequences: Entropy, complexity, and position information // J. Bioinform. Comput. Biol. 2006. Vol. 4. P. 523–536. https://doi.org/10.1142/S0219720006001801
  10. Sorek R., Safer H. M. A novel algorithm for computational identification of contaminated EST libraries // Nucleic Acids Res. 2003. Vol. 31, iss. 3. P. 1067–1074. https://doi.org/10.1093/nar/gkg170
  11. Altschul S. F., Gish W., Miller W., Myers E. W., Lipman D. J. Basic local alignment search tool // J. Mol. Biol. 1990. Vol. 215. P. 403–410. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(05)80360-2
  12. Guide to Human Genome Computing / ed. M. J. Bishop. 2nd ed. San Diego, CA, USA : Academic Press, 1998. 306 p.
  13. Automated DNA Sequencing and Analysis / eds. M. D. Adams, C. Fields, J. C. Venter. 1st ed. San Diego, CA, USA : Academic Press, 1994. 368 p.
  14. Bioinformatics for DNA Sequence Analysis / ed. D. Posada. 1st ed. Totova, NJ, USA : Humana Press Inc., 2009. 368 p. https://doi.org/10.1007/978-1-59745-251-9
  15. Оптическая голография: в 2 т. / под ред. Г. Колфилда. М. : Мир, 1982. Т. 2. 186 с.
  16. Ulianova O. V., Zaytsev S. S., Saltykov Y. V., Lyapina A., Subbotina I., Filonova N., Ulyanov S. S., Feodorova V. A. Speckle-interferometry and speckle-correlometry of GB-speckles // Front. Biosci. (Landmark Ed). 2019. Vol. 24. P. 700–711. https://doi.org/10.2741/4744
  17. Ulyanov S. S., Ulianova O. V., Zaytsev S. S., Saltykov Y. V., Feodorova V. A. Statistics on genebased laser speckles with a small number of scatterers: Implications for the detection of polymorphism in the Chlamydia trachomatis omp1 gene // Las. Phys. Lett. 2018. Vol. 15, № 4. Article number 045601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/aaa11c
  18. Goodman J. W. Introduction to Fourier Optics. 4th ed. New York, USA : Macmillan Learning, 2017. 564 p.
  19. Goodman J. W. Statistical Optics. 2nd ed. Hoboken, NJ, USA : J. Wiley and Sons, Inc., 2015. 544 p.
  20. Chipman R., Lam W.-S. T., Young G. Polarized Light and Optical Systems. 1st ed. Boca-Raton, FL, USA : CRC Press, 2018. 1036 p. (Optical Sciences and Applications of Light).
  21. GISAID: Official hCoV-19 Reference Sequence. URL: https://gisaid.org/wiv04/. Acc. ID: EPI_ISL_402124 (дата обращения: 15.08.2021).
  22. GISAID: Official hCoV-19 Reference Sequence. URL: https://gisaid.org/wiv04/. Acc. ID: EPI_ISL_2552101 (дата обращения: 15.08.2021).
  23. GISAID: Official hCoV-19 Reference Sequence. URL: https://gisaid.org/wiv04/. Acc. ID: EPI_ISL_9991311 (дата обращения: 15.08.2021).
  24. Bennett C. H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Proceedings of International Conference on Computers, Systems & Signal Processing, Dec. 9–12, 1984, Bangalore, India. IEEE, 1984. P. 175–179.
  25. Bennett C. H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Theoretical Computer Science. 2014. Vol. 560 (part 1). P. 7–11. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2014.05.025
  26. Bennett C. H. Quantum cryptography using any two nonorthogonal states // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. P. 3121–3124. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.3121
Поступила в редакцию: 
30.10.2022
Принята к публикации: 
14.12.2022
Опубликована: 
01.03.2023