Специалисты по биоинформатике из России разработали нейросеть под названием «Химера», которая способна не только прогнозировать трёхмерную конфигурацию генома, но и раскрывать принципы его пространственного устройства у различных видов — начиная от дрожжей и водорослей и заканчивая человеком. Дезоксирибонуклеиновая кислота внутри клетки располагается не хаотично, а образует сложную трёхмерную структуру, которая оказывает влияние на активность генов.
Российская нейросеть обнаружила неожиданные закономерности в архитектуре генома; результаты исследования были опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. Учёные выяснили, почему дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) человека и дрожжей сворачивается различным образом.
В мае 2026 года российские биоинформатики создали нейронную сеть «Химера», которая смогла не только предсказывать трёхмерную структуру генома, но и определять правила его пространственной организации у самых разнообразных живых организмов — от дрожжевых грибов и простейших растений до человека.
Геном внутри клетки не размещается беспорядочно, а формирует многомерную структуру, которая напрямую регулирует работу генов. Исследователям известны такие компоненты, как домены, петли и зоны компартментализации, однако до сих пор оставалось неясным, схожи ли механизмы их формирования у разных организмов.
Согласно данным Nucleic Acids Research, свёрточная нейронная сеть «Химера» предназначена для прогнозирования карт Hi-C с использованием автоэнкодера для представления этих карт. Каждая серая линия соответствует прямому проходу одного входного сигнала (ДНК или карты Hi-C) через сеть. На схематических изображениях показана схема обучения (A, B) и три основных способа применения «Химеры» в данной работе: высокочастотное предсказание по последовательности ДНК (C, G), поиск и количественная оценка паттернов (D, E), а также интерпретация ассоциаций между последовательностью ДНК и трёхмерным геномом (F).
Российские исследователи осуществили анализ генетического материала, извлеченного из разных тканей 22 видов организмов. В перечень изученных существ вошли: люди, домовая мышь (Mus musculus), тропическая шпорцевая лягушка (Xenopus tropicalis), рыба данио-рерио (Danio rerio), а также представители моллюсков — пресноводная яблочная улитка (Pomacea canaliculata) и испанский слизень (Arion vulgaris), который признан одним из наиболее опасных вредителей сельского хозяйства. Помимо этого, в работу были включены медоносная пчела (Apis cerana), муравей Cataglyphis hispanica, плодовая мушка Drosophila melanogaster, комары Anopheles merus и Culex quinquefasciatus, тутовый шелкопряд (Bombyx mori), нематода Caenorhabditis elegans, коралловый динофлагеллят Symbiodinium microadriaticum, дрожжи родов Saccharomyces и Schizosaccharomyces, а также модельное растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и прочие виды.
Нейросеть «Химера» была обучена на наборах данных, которые включали фрагменты ДНК и схемы пространственной организации генома. Благодаря этому обучению, ИТ-система научилась распознавать скрытые закономерности укладки хроматина и предсказывать структуру генома, основываясь только на информации из последовательности ДНК.
Главным итогом этого исследования стало выявление видоспецифичности механизмов, которые формируют трехмерную архитектуру генома. Это указывает на то, что аналогичные структурные элементы у разных видов могут возникать под действием совершенно различных биологических процессов и иметь разные пространственные формы.
Искусственный интеллект (ИИ) выявил взаимосвязь между определенными структурами и свойствами ДНК. Было отмечено, что участки генома с высокой степенью изоляции часто обогащены GC-парами, то есть комбинациями нуклеотидов гуанина и цитозина. Кроме того, обнаружилось, что пространственное расположение ДНК зависит не только от порядка генов, но и от направления их транскрипции.
Опираясь на найденные закономерности, ученые смогли построить своего рода «эволюционное древо» трехмерной структуры генома, охватывающее виды от растений до млекопитающих.
Набирает популярность еще один тренд — разработка «прозрачного ИИ». В отличие от традиционных систем искусственного интеллекта, которые лишь выдают результат, такие алгоритмы объясняют логику, стоящую за решениями, принятыми ИИ-моделью.
Российские исследователи отмечают, что благодаря способности «Химеры» к интерпретации открываются перспективы для углубленного изучения и обнаружения фундаментальных закономерностей в биологии.
Технологии искусственного интеллекта всё активнее внедряются в область биологических исследований.
В 2024 году научное сообщество признало заслуги учёных, создавших ИИ-системы для предсказания трёхмерной структуры белков, вручив им Нобелевскую премию по химии.
В 2026 году специалисты из Массачусетского технологического института показали, что пространственная организация ДНК напрямую влияет на работу генетических цепочек и активность генов.
