Система RiSpy (биоинформатическая платформа (фреймворк)) была разработана международной группой ученых (включая институты Sciensano, CIRAD и Гентский университет) в рамках проекта DARWIN. Ее главная задача — обеспечить надежное отслеживание и идентификацию линий риса, полученных методами редактирования генома (GE) и новых геномных методов (NGT). Далее технология будет масштабироваться на все основные сельхозкультуры.
В мировом законодательстве происходит масштабный сдвиг: продукты традиционного ГМО (где внедряется чужеродная ДНК) и новые геномные методы (NGT/GE, где ДНК лишь точечно редактируется) начинают разделять юридически. Однако до появления RiSpy не существовало надежного метода для их физического различения на таможне или рынке. Без таких платформ, как RiSpy, новые законы крайне сложно контролировать на практике.
В связи с этим международный консорциум ученых разработал биоинформатический фреймворк RiSpy, способный с высокой точностью идентифицировать геномно-отредактированные линии риса без использования публичных реестров.
Если классические ГМО-культуры содержат чужеродные генетические вставки (промоторы, маркеры), которые легко обнаружить стандартным ПЦР-тестом, то продукты точечного редактирования генома (GE/NGT) практически неотличимы от природных мутаций.
Ситуация усугублялась тем, что существующие методы верификации критически зависели от открытых баз данных (таких как проект 3K Rice Genomes). Если какая-либо страна или частная компания выводили отредактированный сорт риса, но не регистрировали его в глобальных базах, обнаружить и доказать факт модификации на таможне было практически невозможно.
RiSpy меняет подход к ДНК-паспортизации. Вместо поиска единичного следа вмешательства, алгоритм формирует комплексный комбинированный цифровой паспорт линии, состоящий из трех слоев данных:
Целевое изменение — непосредственно отредактированный участок гена.Следы «генетических ножниц» — случайные побочные (off-target) мутации, которые неизбежно возникают в процессе применения CRISPR/Cas и служат маркером искусственного вмешательства.Сортоспецифичный штрихкод — уникальные парные однонуклеодидные замены (2-SNV barcodes), позволяющие точно определить родительскую линию риса.Благодаря встроенным алгоритмам статистического отбора признаков (feature selection), RiSpy математически доказывает уникальность и происхождение линии, даже если этого сорта риса никогда не было в международных реестрах.
Ключевое практическое достижение разработчиков RiSpy — кроссплатформенность данных. Система одинаково эффективно работает как с дорогостоящими лабораторными технологиями коротких чтений (Illumina), так и с портативными секвенаторами длинных чтений от Oxford Nanopore Technologies (ONT).
Использование ONT позволяет развернуть мобильные генетические лаборатории прямо в пунктах таможенного контроля, морских портах и на крупных элеваторах. Стоимость и время проведения анализа снижаются в разы, что делает мониторинг импорта и экспорта экономически целесообразным.
RiSpy не является физическим прибором или тест-полоской. Это компьютерная программа и набор алгоритмов, написанных на языках программирования.
Процесс работы выглядит так. Физический прибор (секвенатор) считывает ДНК риса и выдает файл с «сырыми» текстовыми данными генетического кода. Этот цифровой файл загружается в платформу RiSpy. Программа выполняет сложнейший математический и статистический анализ: выравнивает последовательности, находит мутации, сравнивает их по своим алгоритмам и выдает готовый вердикт (цифровой паспорт линии риса). По сути, это цифровой «мозг», который превращает хаотичные генетические данные в понятный юридический и биологический отчет.
Запуск RiSpy фактически дает зеленый свет внедрению нового, более мягкого законодательства в отношении продуктов NGT (в частности, в Европейском союзе). Теперь регуляторы получают реальный инструмент контроля: они могут четко разделять продукты классического ГМО, регулируемые NGT-культуры и сорта традиционной. Для селекционеров платформа станет главным инструментом защиты интеллектуальной собственности, позволяя выявлять контрафактное использование запатентованных линий. Для конечного же потребителя это означает гарантированную прозрачность маркировки продуктов на полках магазинов.
Выбор риса в качестве первой и главной культуры для тестирования платформы RiSpy был продиктован несколькими важными причинами.
Рис является основным продуктом питания для более чем половины населения планеты. Из-за изменений климата, засух и нехватки воды ученые вынуждены ускоренными темпами выводить новые устойчивые сорта. Именно поэтому рис стал одной из главных мишеней для технологий CRISPR и нового геномного редактирования (NGT). Ожидается, что на рынке будет расти доля геномно отредактированных линий риса, поэтому нужен инструмент контроля за этой конкретной культурой.
С точки зрения биоинформатики, генетика риса детально изучена. У риса относительно небольшой и компактный геном (по сравнению, например, со сложнейшим геномом пшеницы). Его проще, быстрее и дешевле секвенировать. Для риса уже существовала колоссальная база данных — международный проект 3K Rice Genomes (3KRG), содержащий геномы более 3000 сортов, что позволило разработчикам RiSpy обучить и протестировать свои статистические алгоритмы на огромном массиве реальной информации.
В консорциум разработчиков RiSpy вошел французский исследовательский институт CIRAD (совместно со Sciensano и Гентским университетом). CIRAD обладает более чем 60-летним опытом изучения именно риса, управляет крупнейшими рисовыми базами данных (Orygenes-DB, Rice Genome Hub) и координирует глобальный аналитический инструмент мониторинга рынка риса. Ученые использовали свою сильнейшую профильную экспертизу.
Хотя платформа создавалась под рис, её математический алгоритм универсален. Его адаптация под другие культуры — ключевая цель консорциума DARWIN (европейского проекта, в рамках которого создавался софт).
В первую очередь математические алгоритмы RiSpy и методы нанопорового секвенирования переносят на следующие стратегические культуры.
Соя ближайший кандидат на полноценное внедрение. В рамках проекта DARWIN ученые уже провели успешные исследования на смесях риса и сои. Соя — одна из самых генетически модифицированных культур в мире (устойчивость к гербицидам, изменение состава жирных кислот). Поскольку сою часто транспортируют и перерабатывают вперемешку с другими культурами, алгоритмы RiSpy адаптируют для поиска ультранизких концентраций отредактированной сои в комплексных пищевых смесях и кормах.
Томаты активно редактируются с помощью CRISPR для повышения содержания питательных веществ (например, гамма-аминомасляной кислоты), продления срока хранения и устойчивости к вирусам. Разработчики адаптируют пайплайн, чтобы быстро считывать сортоспецифичные штрихкоды томатов на таможне.
Кукуруза является основой мирового экспорта кормов и биополимеров. Множество новых NGT-линий кукурузы находятся на стадии коммерциализации. Адаптация RiSpy под кукурузу позволит странам ЕС и Азии контролировать импорт зерна на наличие скрытых и незарегистрированных CRISPR-мутаций.
Картофель. Картофель имеет крайне сложный (тетраплоидный) геном, что затрудняет классический анализ. Однако новые геномные методы (NGT) часто применяются к нему для отключения генов потемнения или изменения состава крахмала. Математический аппарат отбора признаков (feature selection) в RiSpy дорабатывается, чтобы справляться с полиплоидными геномами вроде картофельного.
Поскольку сама программа представляет собой «цифровой мозг», физически переделывать её не нужно. Чтобы добавить новую культуру, биоинформатикам достаточно выполнить два шага: загрузить в систему эталонный геном (например, кукурузы или сои) и натренировать алгоритм на статистический поиск 2-SNV barcodes (парных точечных мутаций) для конкретных коммерческих сортов растения.