Открытая платформа данных для исследователей архей
Биоинформатика и анализ больших данных могут принести большие выгоды биологам, но для создания необходимых наборов данных требуется много работы. В то же время исследователи по всему миру генерируют наборы данных, которые могут быть полезны другим, но не всегда широко распространяются.
Для развития научного обмена и ускорения открытий биологи из Школы искусств и наук под руководством постдока Стефана Шульце и профессора Меки Польшродер запустили Архейный Протеомный Проект (ArcPP) — веб-базу данных для сбора и предоставления наборов данных для продвижения работы всех учёных, интересующихся археями. Археи — это домен жизни, состоящий из микроорганизмов, которые могут обитать где угодно: от глубоководных гидротермальных источников до кишечника человека.
«Это очень ориентированное на сообщество усилие», — говорит Шульце, ведущий разработчик платформы ArcPP, описанной в недавней статье в Nature Communications. — «Наши коллеги изучают другие аспекты биологии архей. Объединив сообщество учёных, изучающих различные аспекты архейной протеомики, ArcPP может предоставить исследовательскому сообществу обилие легко доступных данных, а также обладает экспертизой и перспективами, необходимыми для анализа данных».
Лаборатория Польшродер изучает архею Haloferax volcanii в качестве модельного организма. Хотя ArcPP стартовал с данных только по этому виду, исследователи надеются быстро расширить его, включив протеомные данные (каталогизацию всего набора белков организма) от большего числа видов архей и даже других одноклеточных организмов, таких как бактерии.
«Принцип ArcPP можно сравнить с сотрудничеством медицинских специалистов, лечащих пациента», — говорит Шульце. — «Подобно образцу крови, современная протеомика, которая может анализировать целые протеомы организма в рамках одного эксперимента, предоставляет информацию о различных аспектах клеточной биологии архей».
Развитие платформы и первые результаты
Для разработки ArcPP биологи из Пенсильванского университета обратились к лабораториям по всему миру с просьбой предоставить свои протеомные наборы данных по H. volcanii. Данные представляли анализы микробов, растущих в широком диапазоне условий, что привело к созданию коллекции размером в 2 терабайта.
«Мы смогли идентифицировать 72% известных белков, закодированных в протеоме H. volcanii», — говорит Польшродер. — «Интересно, что функция как минимум 15% этих белков до сих пор совершенно неизвестна, что подчеркивает, что наше понимание клеточной биологии архей всё ещё довольно ограничено».
Шульце проверил платформу, чтобы увидеть, какую новую информацию можно извлечь. Используя базу данных, группа обнаружила, что, вопреки прежним представлениям, H. volcanii может экспрессировать фермент уреазу, который расщепляет азотистое соединение мочевину, но только в присутствии глицерина в качестве источника углерода. Последующие эксперименты в лаборатории подтвердили это открытие.
Применение в образовании и новые горизонты
Другой мощный аспект ArcPP — его полезность для образования. Даже старшеклассники, которых Польшродер приглашает в свою лабораторию через программу Penn LENS (Laboratory Experience in Natural Sciences), могут получить практический опыт.
Новое исследование, размещённое как препринт на bioRxiv, также показывает, как ArcPP может способствовать расширению лабораторных открытий. Исследователи изучают способность H. volcanii формировать биоплёнки, которые в жидкой среде могут быстро образовывать замысловатый «сотовый» узор после снятия крышки чашки Петри. Предполагается, что причиной может быть летучее соединение в воздухе.
Группа планирует дальнейшую лабораторную работу, чтобы определить, демонстрируют ли подобное поведение другие виды архей и даже некоторые бактерии, а также надеется опереться на данные ArcPP для лучшего понимания механизма образования «сот».
«Я всегда вижу биоинформатику и лабораторную работу как круг», — говорит Шульце. — «Вы можете начать с лабораторной работы, перейти к биоинформатике для изучения находки, но на этом не останавливаетесь. Вы всегда должны возвращаться в лабораторию — и затем снова по кругу — чтобы подтвердить и расширить свои открытия».
«Мы стремимся работать вместе с большим количеством лабораторий, чтобы расширить наши анализы на другие виды архей или даже бактерии, используя синергетический эффект широкого научного сообщества», — говорит Польшродер.