Une plateforme de données open source pour les chercheurs étudiant les archées

La bioinformatique et les analyses de mégadonnées peuvent rapporter de grandes récompenses aux biologistes, mais il faut beaucoup de travail pour générer les ensembles de données nécessaires pour commencer. Dans le même temps, les chercheurs du monde entier produisent des ensembles de données qui pourraient être utiles à d’autres mais qui ne sont pas toujours largement partagés.

Pour favoriser les échanges scientifiques et faire avancer les découvertes, les biologistes de la School of Arts & Sciences dirigés par le postdoctorant Stefan Schulze et le professeur Mecky Pohlschroder ont lancé le Archaeal Proteome Project (ArcPP), une base de données en ligne pour collecter et rendre disponibles des ensembles de données pour travail de tous les scientifiques intéressés par les archées, un domaine de la vie composé de micro-organismes qui peuvent habiter n’importe où, des évents des grands fonds aux intestins humains.

«Il s’agit d’un effort très axé sur la communauté», déclare Schulze, qui a travaillé comme post-doctorant dans le laboratoire de Pohlschroder depuis 2017 et a pris la tête du développement de la plate-forme ArcPP, qui est décrite dans un récent Communications de la nature papier. «Les personnes qui travaillent dans différents domaines et sont intéressées par différentes questions biologiques peuvent toutes générer des ensembles de données protéomiques pour répondre à leurs questions. Mais ces mêmes ensembles de données pourraient également être analysés pour répondre à d’autres questions. Notre idée était de rassembler ces ensembles de données dans un manière uniforme d’être utile à toute la communauté. « 

Le laboratoire de Pohlschroder étudie l’archéon Haloferax volcanii en tant qu’organisme modèle, une espèce aimant le sel isolée à l’origine de la mer Morte. Alors que l’ArcPP a été lancé avec des données provenant uniquement de cette espèce, les chercheurs espèrent le développer rapidement pour englober des données protéomiques – un catalogage de l’ensemble des protéines contenues dans un organisme – provenant d’espèces plus archaïennes et même au-delà, y compris d’autres organismes unicellulaires. , comme les bactéries.

«Le principe de l’ArcPP peut être considéré comme similaire à la collaboration entre médecins spécialistes traitant un patient», déclare Schulze. «Les spécialistes du cerveau, du cœur ou des reins ont tous des connaissances spécialisées dans leurs domaines respectifs, mais pour tous, un échantillon de sang peut aider à interpréter les symptômes d’un patient. Semblable à cet échantillon de sang, la protéomique moderne, qui peut analyser l’ensemble des protéomes de un organisme dans une seule expérience, fournir des informations sur divers aspects de la biologie des cellules archéennes. « 

Les archées sont un groupe relativement peu étudié, mais elles jouent des rôles écologiques importants, sont utilisées pour diverses applications biotechnologiques et semblent être les ancêtres procaryotes des eucaryotes. Ainsi, le domaine est mûr pour de nouvelles connaissances sur leur biochimie et leur fonction.

Les progrès récents ont rendu beaucoup plus simple la génération des données brutes nécessaires pour effectuer des études protéomiques avec un organisme. «À présent, le goulot d’étranglement est de savoir comment l’analyser efficacement et que retenez-vous de cette analyse», déclare Pohlschroder.

C’est là qu’intervient la communauté ArcPP. «Je pourrais comprendre pourquoi certaines protéines sont exprimées ou modifiées à la surface des cellules parce que c’est ce sur quoi nous nous concentrons dans notre laboratoire», dit-elle, «mais nos collègues étudient d’autres aspects de la biologie archéenne. Ensemble, la communauté de scientifiques qui étudient divers aspects de la protéomique archéenne, ArcPP peut fournir à la communauté de recherche une abondance de données facilement accessibles et possède également l’expertise et les perspectives nécessaires pour analyser les données de manière à fournir de nouvelles informations importantes sur la biologie archéenne. « 

Pour développer l’ArcPP, les biologistes de Penn ont contacté plusieurs laboratoires à travers le monde pour fournir leurs ensembles de données protéomiques pour H. volcanii. Les données représentaient des analyses de microbes se développant dans un large éventail de conditions, résultant en une collection d’une taille massive de deux téraoctets.

«Nous avons pu identifier 72% des protéines connues codées dans le protéome de H. volcanii», explique Pohlschroder. «En comparant différentes conditions de culture, nous avons pu identifier des protéines qui sont toujours présentes, indiquant qu’elles sont cruciales pour les fonctions cellulaires dans une variété d’environnements. Fait intéressant, pour au moins 15% de ces protéines, la fonction est encore totalement inconnue , soulignant que notre compréhension de la biologie des cellules archéennes est encore assez limitée. « 

Schulze a mis la plate-forme à l’épreuve pour voir quelles nouvelles informations pourraient être glanées. Avec d’autres membres du groupe, il a utilisé la base de données pour constater que, contrairement à ce que l’on croyait auparavant à propos de H. volcanii, il peut exprimer l’enzyme uréase, qui décompose le composé azoté urée, mais uniquement en présence de glycérol sous forme de une source de carbone. Des expériences de suivi sur banc par des collaborateurs de l’Université de Floride ont confirmé la découverte, offrant une preuve de concept de la puissance d’ArcPP.

«L’expression de l’uréase pourrait être importante dans le cycle de l’azote dans l’environnement», dit Schulze, «ou même pour des applications biotechnologiques».

Un autre aspect puissant d’ArcPP est son utilité pour l’éducation. La bioinformatique est une compétence inestimable pour les biologistes émergents, et les analyses qui peuvent être effectuées à l’ordinateur plutôt qu’au laboratoire sont un moyen utile de poursuivre en toute sécurité la découverte scientifique au milieu de la pandémie COVID-19. C’est quelque chose que même les élèves du secondaire que Pohlschroder invite dans son laboratoire à travers le programme Penn LENS, abréviation de Laboratory Experience in Natural Sciences, peuvent expérimenter dans un format pratique.

«Ce que je trouve fascinant dans ce projet, c’est que vous pouvez travailler avec Haloferax volcanii, qui est non pathogène et avec lequel il est assez facile de travailler», déclare Pohlschroder, «et l’associer à une technologie de pointe, mais le faire de cette manière que les élèves du secondaire sont capables de faire des découvertes absolument inédites. C’est quelque chose que nous pensons certainement utiliser pour le prochain semestre pour les étudiants de premier cycle, car ils ne pourront peut-être pas entrer tout de suite dans le laboratoire. « 

Une nouvelle étude Schulze, Pohlschroder, la doctorante Heather Schiller et ses collègues, publiée sous forme de pré-impression sur bioRxiv, avant l’examen par les pairs, offre également des indices sur la façon dont ArcPP pourrait jouer un rôle dans l’extension des découvertes scientifiques en laboratoire. De nombreuses archées, comme les bactéries, peuvent former des biofilms, qui sont des communautés microbiennes de cellules adhérentes noyées dans une matrice polymère extracellulaire. H. volcanii peut former des biofilms sur des surfaces solides ou dans des milieux liquides. Schulze avait remarqué que, lorsque H. volcanii forme un biofilm dans un milieu liquide contenu dans une boîte de Pétri, il peut rapidement développer un motif complexe en nid d’abeille lors du retrait du couvercle de la boîte de Pétri.

Après un travail de détective pour découvrir ce qui est responsable de la création de cette formation, les chercheurs ont exclu les gènes responsables de l’adhésion de surface, de la lumière, de l’oxygène, de l’humidité et d’autres variables, et ils croient maintenant que le conducteur est un composé volatil dans l’air.

Alors que le groupe prévoit de poursuivre le suivi en «laboratoire humide» pour déterminer si d’autres espèces archaïennes et même certaines bactéries font quelque chose de similaire, ils espèrent également s’appuyer sur l’ArcPP pour mieux comprendre le mécanisme de la formation en nid d’abeilles, car les ensembles de données inclus contiennent informations protéomiques provenant des microbes dans les biofilms et se développant librement.

«Je vois toujours la bioinformatique et le travail de laboratoire comme un cercle», dit Schulze. « Vous pouvez commencer par un travail de laboratoire, aller à la bioinformatique pour sonder une découverte, mais vous ne vous arrêtez pas là. Vous devriez toujours retourner au laboratoire – puis revenir en arrière – pour confirmer et étendre vos découvertes. »

Avec ArcPP, ces biologistes espèrent élargir ce cercle, en attirant plus de chercheurs – et de jeunes avec des aspirations scientifiques – dans le giron.

«Nous sommes impatients de travailler avec davantage de laboratoires afin d’étendre nos analyses à d’autres espèces archéennes ou même à des bactéries, en récoltant les effets synergiques d’une large communauté scientifique», déclare Pohlschroder.