Алгоритмы обработки сигналов флуоресценции массового параллельного секвенирования нуклеиновых кислот

Определение нуклеотидной последовательности ДНК или РНК, содержащих от нескольких сотен до сотен миллионов звеньев мономеров позволяет получить подробную информацию о геноме человека, животных и растений. Расшифровывать структуру нуклеиновых кислот научились достаточно давно, однако первоначально методы расшифровки были низко производительными, неэффективными и дорогими. Методы расшифровки нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот принято называть методами секвенирования. Приборы, предназначенные для реализации методов секвенирования, называются секвенаторами. Секвенирование нового поколения, массовое параллельное секвенирование — это родственные термины, описывающие технологию высокопроизводительного секвенирования ДНК, при котором весь человеческий геном можно секвенировать в течение одного-двух дней. Предыдущая технология, используемая для расшифровки генома человека, потребовала более десяти лет, чтобы получить окончательные результаты.
В Институте аналитического приборостроения РАН разрабатывается аппаратно-программный комплекс для расшифровки последовательности нуклеиновых кислот патогенных микроорганизмов методом массового параллельного секвенирования.
Программное обеспечение, входящее в состав аппаратно-программного комплекса играет существенную роль в решении задач расшифровки генома.
Цель статьи — показать необходимость создания алгоритмов программного обеспечения аппаратно-программного комплекса для обработки сигналов, получающихся в процессе генетического анализа при решении задач расшифровки генома, а также продемонстрировать возможности этих алгоритмов. В работе рассмотрены основные проблемы обработки сигналов и методы их решения. В их числе: автоматическая и полуавтоматическая фокусировка, коррекция изображения фона реакционной ячейки, обнаружение изображений кластеров, оценка координат их положений, создание шаблонов кластеров молекул нуклеиновых кислот на поверхности реакционной ячейки, коррекция влияния интенсивностей соседних оптических каналов и оценка достоверности результатов генетического анализа.