Newswise — Новая вычислительная система, созданная исследователями Окриджской национальной лаборатории, ускоряет понимание того, кто внутри, кто снаружи, кто горячий, а кто нет в микробиоме почвы, где грибы часто выступают в качестве телохранителей для растений, держа друзей близко и врагов на расстоянии. .

Исследование проливает свет на специализированные грибковые метаболиты, небольшие молекулы, вырабатываемые грибами, которые могут помочь или нанести вред растениям и другим организмам. Эти метаболиты могут, например, помочь биоэнергетическим растениям, таким как тополь, процветать в суровых условиях выращивания и хранить больше углерода под землей. Грибковые метаболиты также используются людьми для производства всего: от пищевых добавок, таких как лимонная кислота, до лекарств для борьбы с бактериальными инфекциями и раком, а также в качестве пестицидов и гербицидов для сельского хозяйства.

Кластеры генов грибов, которые производят специализированные метаболиты, обычно молчат в стандартных лабораторных культурах до тех пор, пока не будут сигнализированы внешними соединениями или условиями окружающей среды. Ученые ORNL хотели проанализировать взаимодействие таких соединений, как липиды и хитины, с выработкой метаболитов грибами, чтобы улучшить накопление этих натуральных продуктов.

Использование подхода, основанного на данных, описанного в журнале ПНАС Нексус Ученые ORNL смогли предсказать, какие вещества лучше всего будут стимулировать грибковые метаболиты, а затем подтвердили результаты в лаборатории, используя культуры плесени. Аспергилл фумигатус , масс-спектрометрический анализ и сравнение с опубликованными наборами данных. Этот подход значительно ускоряет кропотливый процесс, обычно используемый для идентификации, извлечения и характеристики специализированных метаболитов.

В системе моделирования используется теория графов — подход машинного обучения, который анализирует сложные взаимосвязи в таких процессах, как взаимодействие микробов друг с другом и с растениями. «Используя теорию графов, мы можем лучше идентифицировать химические сигналы, которые запускают определенные метаболиты в грибах, а также можем использовать ее, чтобы сузить круг видов грибов, которые важно анализировать», — сказал Мураликришнан (Мурали) Гопалакришнан Мина, ученый-вычислитель из ORNL. Национальный центр вычислительных наук.

Исследование является частью научного направления «Взаимодействие растений и микробов» в ORNL, проекта, спонсируемого Программой биологических и экологических исследований Министерства энергетики США, целью которого является лучшее понимание взаимовыгодных отношений между растениями и микробами в корневой среде растений. известный как ризосфера. Эта информация затем может быть использована для решения проблем, связанных с биоэнергетикой, восстановлением окружающей среды и хранением углерода в почве.

SFA в основном ориентирован на тополь — ключевую культуру биомассы, изучаемую в ORNL для производства биоэнергии. «Мы хотим понять влияние метаболитов, организмов и соединений на тополь — его корни, стебли, листья, весь микробиом», — сказал Томас Раш, миколог из отдела биологических наук ORNL, который был одним из руководителей проекта.

Некоторые грибы любят А. фумигатус микроб, важный для круговорота углерода, обнаруженный в ризосфере тополя, хорошо справляется с выявлением как угроз, так и благотворных факторов в почвенном микробиоме, которые могут повлиять на растения-хозяева, сказал Раш.

Грибы бросают вызов полезным для растений микробам

«Аспергилл похоже, позволяет одним микробам приблизиться к ризосфере, не позволяя другим проникнуть внутрь», — сказал Раш. «В почве тонны микробов, но почему мы все время находим в ризосфере тополя лишь несколько штук? Я думаю об этом как о ночном клубе, куда вышибалы не пускают одних людей, а у входа бросают веревку, чтобы впустить других. Вот что Аспергилл делает, выступая в роли телохранителей, позволяя одним микробам приблизиться к растению, и отгораживая других. »

Эти отношения контроля доступа были более подробно описаны в публикации в журнале. мобильные системы в которых исследовалась роль сигнальной молекулы микробного происхождения в полезном симбиозе растений и грибов.

В прошлом году Раш и его коллеги собрали и идентифицировали более 1500 грибов, выделенных из симбиотической среды тополя, используя экспериментальные и вычислительные подходы, что вдвое увеличило предыдущую базу данных.

«Уже ведется большая вычислительная и биоинформатическая работа» в рамках SFA по растительным микробам», — сказал Гопалакришнан Мина. «В этом проекте мы используем инструменты сетевой науки, чтобы классифицировать эти взаимодействия с новой точки зрения человека, который не является биологом, но которому помогают понять проблему коллеги, которые им являются. Мы можем использовать одни и те же инструменты типа искусственного интеллекта, основанные на данных, для решения многих сложных научных задач».

В проекте использовались ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательского центра Министерства энергетики США в ORNL, такие как платформа JupyterHub, поддерживающая многопользовательский анализ на основе данных с беспрепятственным доступом к данным и кодам в одном концентраторе.

Исследователи начали работать вместе после того, как Гопалакришнан Мина посетил стендовую сессию, на которой Раш представлял свою работу по грибковым растениям, когда они оба были постдокторантами в ORNL. Гопалакришнан Мина искал новые способы применения своих знаний в области машинного обучения, которые на тот момент его карьеры в основном применялись для моделирования турбулентности в атмосфере и океанах.

«ORNL и проект PMI, в частности, хорошо помогают начинающим ученым, таким как Мурали и я, сотрудничать и исследовать идеи с использованием новых междисциплинарных подходов», — сказал Раш.

«Приятно видеть, как наши начинающие исследователи используют наши уникальные возможности в ORNL для поиска новых способов решения сложных проблем. На границе между растениями и микробами работают тысячи метаболитов. Нам нужно знать, когда они используются и что они делают», — сказал Митчел Доктыч, корпоративный научный сотрудник ORNL и глава отдела биовизуализации и аналитики лаборатории, возглавляющий PMI SFA.

Среди других ученых ORNL, участвующих в проекте, — Мэтью Лейн и Армин Гейгер, которые также являются студентами Центра междисциплинарных исследований и последипломного образования Бредесена при Университете Теннесси; Джоанна Таннус, Алисса Каррелл, Пол Абрахам, Ричард Джианноне и Дэниел Джейкобсон. Двое бывших ученых ORNL, которые работали над проектом, — Джесси Лаббе, сейчас работающий в TekHolding, и Дэвид Кайнер, сейчас работающий в Центре передового опыта Австралийского исследовательского совета по успеху растений в природе и сельском хозяйстве. Жан-Мишель Ане и Нэнси Келлер из Университета Висконсин-Мэдисон также внесли свой вклад.

UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Управление науки работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт Energy.gov/science.