La bioinformática y los análisis de big data pueden cosechar grandes recompensas para los biólogos, pero se necesita mucho trabajo para generar los conjuntos de datos necesarios para comenzar. Al mismo tiempo, los investigadores de todo el mundo producen conjuntos de datos que podrían ser útiles para otros pero no sonsiempre ampliamente compartido.
Para fomentar el intercambio científico y avanzar en el descubrimiento, los biólogos de la Facultad de Artes y Ciencias dirigidas por el postdoc Stefan Schulze y la profesora Mecky Pohlschroder han lanzado el Archaeal Proteome Project ArcPP, una base de datos basada en la web para recopilar y poner a disposición conjuntos de datos paraAdemás, el trabajo de todos los científicos interesados en arqueas, un dominio de la vida compuesto de microorganismos que pueden habitar en cualquier lugar, desde respiraderos de aguas profundas hasta el intestino humano.
"Este es un esfuerzo muy centrado en la comunidad", dice Schulze, quien ha trabajado como postdoctorado en el laboratorio de Pohlschroder desde 2017 y tomó la iniciativa en el desarrollo de la plataforma ArcPP, que se describe en un reciente Comunicaciones de la naturaleza documento. "Las personas que trabajan en diferentes campos y están interesadas en diferentes preguntas biológicas pueden estar generando conjuntos de datos de proteómica para responder a sus preguntas. Pero esos mismos conjuntos de datos podrían analizarse para responder también a otras preguntas. Nuestra idea era traer estosconjuntos de datos juntos de manera uniforme para ser de utilidad para toda la comunidad "
El laboratorio de Pohlschroder estudia al arqueón Haloferax volcanii como un organismo modelo, una especie amante de la sal aislada originalmente del Mar Muerto. Mientras que el ArcPP se lanzó con datos de solo esta especie, los investigadores esperan crecer rápidamente para abarcar datos proteómicos -una catalogación de todo el conjunto de proteínas contenidas en un organismo, de más especies arqueológicas e incluso más allá, incluidos otros organismos unicelulares, como las bacterias.
"El principio de ArcPP puede verse como similar a la colaboración entre especialistas médicos que tratan a un paciente", dice Schulze. "Todos los especialistas en cerebro, corazón o riñón tienen conocimiento experto en sus respectivos campos, pero para todos ellosla muestra de sangre puede ayudar a interpretar los síntomas de un paciente. De manera similar a esa muestra de sangre, la proteómica moderna, que puede analizar los proteomas completos de un organismo dentro de un solo experimento, proporciona información sobre varios aspectos de la biología de las células arqueológicas ".
Las arqueas son un grupo relativamente poco estudiado, pero desempeñan papeles ecológicos importantes, se utilizan para diversas aplicaciones biotecnológicas y parecen ser los ancestros procariotas de los eucariotas. Por lo tanto, el campo está maduro para nuevas ideas sobre su bioquímica y función.
Los avances recientes han hecho que sea mucho más simple generar los datos brutos necesarios para realizar estudios de proteómica con un organismo. "Ahora el cuello de botella es cómo lo analiza de manera efectiva y qué hace con este análisis", dice Pohlschroder.
Ahí es donde entra la comunidad ArcPP. "Podría entender por qué ciertas proteínas se expresan o modifican en la superficie celular porque eso es en lo que nos enfocamos en nuestro laboratorio", dice, "pero nuestros colegas estudian otros aspectos de la biología arqueológica".Al reunir a la comunidad de científicos que estudian varios aspectos de la proteómica arqueológica, ArcPP puede proporcionar a la comunidad investigadora una gran cantidad de datos de fácil acceso y también tiene la experiencia y las perspectivas necesarias para analizar los datos de manera que produzcan nuevos conocimientos significativos sobre la biología arqueológica"
Para desarrollar el ArcPP, los biólogos de Penn se acercaron a múltiples laboratorios de todo el mundo para contribuir con sus conjuntos de datos de proteómica para H. volcanii. Los datos representaron análisis de los microbios que crecen en una amplia gama de condiciones, lo que resultó en una colección que es unDos terabytes masivos de tamaño.
"Pudimos identificar el 72% de las proteínas conocidas codificadas en el proteoma de H. volcanii", dice Pohlschroder. "Al comparar diferentes condiciones de cultivo, pudimos identificar proteínas que siempre están presentes, lo que indica que son cruciales para la célulafunciona en una variedad de entornos. Curiosamente, para al menos el 15% de estas proteínas, la función es aún completamente desconocida, lo que destaca que nuestra comprensión de la biología de las células de la arquea todavía es bastante limitada ".
Schulze puso a prueba la plataforma para ver qué información nueva se podía obtener. Junto con otros miembros del grupo, utilizó la base de datos para descubrir que, al contrario de lo que se creía anteriormente sobre H. volcanii, puede expresar la enzimaureasa, que descompone el compuesto de nitrógeno urea, aunque solo en presencia de glicerol como fuente de carbono. Los experimentos de seguimiento en el banco realizados por colaboradores de la Universidad de Florida confirmaron el hallazgo, ofreciendo una prueba de concepto del poderde ArcPP.
"Expresar ureasa podría ser importante en el ciclo del nitrógeno en el medio ambiente", dice Schulze, "o incluso para aplicaciones de biotecnología".
Otro aspecto poderoso de ArcPP es su utilidad para la educación. La bioinformática es una habilidad invaluable para los futuros biólogos, y los análisis que se pueden hacer en la computadora en lugar del laboratorio son una forma útil de continuar con seguridad el descubrimiento científico en medio de laPandemia de COVID-19. Es algo que incluso los estudiantes de secundaria que Pohlschroder invita a su laboratorio a través del programa Penn LENS, abreviatura de Experiencia de laboratorio en ciencias naturales, pueden experimentar en un formato práctico.
"Lo que creo que es fascinante de este proyecto es que puedes trabajar con Haloferax volcanii, que no es patógeno y es bastante fácil de trabajar", dice Pohlschroder, "y combínalo con tecnología de punta, pero hazlo de tal manerauna manera en que los estudiantes de secundaria son capaces de hacer descubrimientos absolutamente novedosos. Es algo que definitivamente estamos pensando usar para el próximo semestre también para estudiantes universitarios, ya que es posible que no puedan ingresar al laboratorio de inmediato ".
Un nuevo estudio de Schulze, Pohlschroder, la estudiante de doctorado Heather Schiller y sus colegas, publicado como una preimpresión para bioRxiv, antes de la revisión por pares, también ofrece pistas sobre cómo ArcPP podría desempeñar un papel en la extensión de los descubrimientos científicos basados en bancos.Muchas arqueas, como las bacterias, pueden formar biopelículas, que son comunidades microbianas de células adherentes incrustadas en una matriz polimérica extracelular. H. volcanii puede formar biopelículas en superficies sólidas o en medios líquidos. Schulze había notado que, cuando H. volcanii forma unbiofilm en medios líquidos contenidos en una placa de Petri, puede desarrollar rápidamente un intrincado patrón de panal tras la extracción de la tapa de la placa de Petri.
Después de un trabajo de detective para descubrir qué es responsable de crear esta formación, los investigadores descartaron los genes responsables de la adhesión superficial, la luz, el oxígeno, la humedad y otras variables, y ahora creen que el controlador es un compuesto volátil en elaire.
Si bien el grupo está planeando un seguimiento adicional de "laboratorio húmedo" para determinar si otras especies arqueológicas e incluso ciertas bacterias hacen algo similar, también esperan apoyarse en ArcPP para comprender mejor el mecanismo de la formación de panal, como se incluyelos conjuntos de datos contienen información proteómica de microbios en biopelículas y crecen libremente.
"Siempre veo la bioinformática y el trabajo de laboratorio como un círculo", dice Schulze. "Puede comenzar con el trabajo de laboratorio, ir a la bioinformática para investigar un hallazgo, pero no se detiene allí. Siempre debe volver allaboratorio, y luego de vuelta, para confirmar y extender sus hallazgos ".
Con ArcPP, estos biólogos esperan extender ese círculo, trayendo más investigadores, y jóvenes con aspiraciones científicas, al redil.
"Estamos ansiosos por trabajar juntos con más laboratorios para extender nuestros análisis a otras especies arqueológicas o incluso bacterias, aprovechando los efectos sinérgicos de una comunidad científica amplia", dice Pohlschroder.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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