وبلاگ

نویسنده: استفانی سی

یک چارچوب محاسباتی جدید که توسط محققان آزمایشگاه ملی Oak Ridge ایجاد شده است، درک آنها را از اینکه چه کسی در داخل است، چه کسی بیرون است، چه کسی گرم است و چه کسی در میکروبیوم خاک نیست، سرعت می بخشد، جایی که قارچ ها اغلب به عنوان محافظ گیاهان عمل می کنند. دوستان را نزدیک و دشمنان را در یک مکان نگه می دارند. فاصله

این تحقیق متابولیت‌های قارچی تخصصی، مولکول‌های کوچک تولید شده توسط قارچ‌ها را که می‌توانند به گیاهان و سایر موجودات کمک کنند یا به آنها آسیب برسانند، روشن می‌کند. برای مثال، این متابولیت ها می توانند به گیاهان بیوانرژی مانند صنوبر کمک کنند تا در شرایط رشد سخت رشد کنند و کربن بیشتری را در زیر زمین ذخیره کنند. متابولیت های قارچی نیز توسط انسان برای ساختن همه چیز از مواد افزودنی غذایی مانند اسید سیتریک گرفته تا داروهایی برای مبارزه با عفونت های باکتریایی و سرطان و به عنوان آفت کش ها و علف کش ها برای کشاورزی استفاده می شود.

خوشه‌های ژنی در قارچ‌هایی که متابولیت‌های تخصصی تولید می‌کنند معمولاً در کشت‌های آزمایشگاهی استاندارد تا زمانی که توسط ترکیبات خارجی یا شرایط محیطی علامت داده نشود، بی‌صدا هستند. دانشمندان ORNL می خواستند برهمکنش ترکیباتی مانند لیپیدها و کیتین ها را بر روی تولید متابولیت ها در قارچ ها تجزیه و تحلیل کنند تا تجمع این محصولات طبیعی را بهبود بخشند.

با استفاده از a رویکرد داده محور که در مجله توضیح داده شده است PNAS Nexusدانشمندان ORNL توانستند پیش‌بینی کنند که کدام مواد به بهترین وجه متابولیت‌های قارچی را تحریک می‌کنند، سپس این یافته‌ها را در آزمایشگاه با استفاده از کشت کپک تایید کردند. آسپرژیلوس فومیگاتوستجزیه و تحلیل طیف سنجی جرمی و مقایسه با مجموعه داده های منتشر شده. این رویکرد به طور قابل توجهی روند پرزحمت مورد استفاده برای شناسایی، استخراج و مشخص کردن متابولیت های تخصصی را سرعت می بخشد.

چارچوب مدل‌سازی از نظریه گراف استفاده می‌کند، الف فراگیری ماشین رویکردی که روابط پیچیده در فرآیندهایی مانند تعامل میکروب ها با یکدیگر و با گیاهان را تجزیه و تحلیل می کند. Muralikrishnan (Murali) Gopalakrishnan Meena، دانشمند کامپیوتر در ORNL گفت: “با استفاده از تئوری گراف، ما می توانیم سیگنال های شیمیایی که باعث تحریک متابولیت های خاص در قارچ ها می شوند را بهتر شناسایی کنیم، و همچنین می توانیم از آن برای محدود کردن گونه های قارچی مهم برای تجزیه و تحلیل استفاده کنیم.” مرکز ملی علوم محاسباتی

تحقیق بخشی از منطقه تمرکز علمی رابط های گیاهی میکروب در ORNL، پروژه ای که توسط برنامه تحقیقات علوم و محیط زیست وزارت انرژی حمایت می شود و هدف آن درک بهتر روابط سودمند دوجانبه بین گیاهان و میکروب ها در محیط ریشه های گیاهان، معروف به ریزوسفر است. سپس می توان از این اطلاعات برای رسیدگی به چالش های مربوط به انرژی زیستی، احیای محیط زیست و ذخیره کربن خاک استفاده کرد.

SFA عمدتاً بر روی صنوبر متمرکز است، یک محصول زیست توده کلیدی که در ORNL برای تولید انرژی زیستی مورد مطالعه قرار گرفته است. توماس راش، قارچ شناس در بخش علوم زیستی ORNL که این پروژه را رهبری می کند، گفت: “ما می خواهیم اثرات متابولیت ها، ارگانیسم ها و ترکیبات روی صنوبر – ریشه ها، ساقه ها، برگ ها و کل میکروبیوم” را درک کنیم.

برخی از قارچ ها دوست دارند A. fumigatusراش گفت، یک میکروب مهم برای چرخه کربن که در ریزوسفر صنوبر یافت می شود، در شناسایی تهدیدات و عوامل مفید در میکروبیوم خاک که می توانند میزبان های گیاه را تحت تاثیر قرار دهند، خوب هستند.

قارچ‌ها برای میکروب‌های دوستدار گیاه طناب را رها می‌کنند

“آسپرژیلوس به نظر می رسد که به برخی از میکروب ها اجازه می دهد تا به ریزوسفر نزدیک شوند در حالی که دیگران را بیرون نگه می دارد. «شما هزاران میکروب در خاک دارید، اما چرا ما همیشه تعداد کمی را در ریزوسفر صنوبر می‌یابیم؟ من به آن مانند یک کلوپ شبانه فکر می‌کنم که در آن جسارت‌کننده‌ها برخی از افراد را بیرون نگه می‌دارند در حالی که طناب را در ورودی می‌اندازند تا به دیگران اجازه ورود بدهند. اینجا چیه آسپرژیلوس این کار را انجام می دهد و به عنوان محافظ عمل می کند تا به برخی از میکروب ها اجازه دهد به گیاه نزدیک شوند و در عین حال دیگران را دفع کنند. “

این رابطه حمایت از گردن با جزئیات بیشتری در توضیح داده شده است انتشار مجله mSystemsکه نقش یک مولکول سیگنال دهی مشتق شده از میکروب را در همزیستی مفید گیاه و قارچ بررسی کرد.

در طول سال گذشته، راش و همکارانش بیش از 1500 قارچ جدا شده از محیط همزیستی صنوبر را با استفاده از روش‌های تجربی و محاسباتی جمع‌آوری و شناسایی کرده‌اند و پایگاه داده قبلی را دو برابر کرده‌اند.

گوپالاکریشنان مینا گفت: «در حال حاضر کارهای محاسباتی و بیوانفورماتیک زیادی در حال انجام است» به عنوان بخشی از Plant-Microbes SFA. با این پروژه، ما ابزارهای علوم شبکه ای را معرفی می کنیم تا این تعاملات را از منظر تازه فردی که زیست شناس نیست، اما همکارانشان در درک مشکل کمک می کنند، طبقه بندی کنیم. ما می توانیم از همان داده محور استفاده کنیم، هوش مصنوعی-نوع ابزار برای چالش های علمی بسیار پیچیده.

این پروژه از منابع Oak Ridge Leadership Computing Facility، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در ORNL، مانند پلت فرم JupyterHub استفاده می کند که از تجزیه و تحلیل مبتنی بر داده چند کاربر با دسترسی یکپارچه به داده ها و کد در یک هاب واحد پشتیبانی می کند.

محققان ابتدا پس از شرکت Gopalakrishnan Meena در یک جلسه پوستری که در آن راش کار خود را در مورد گیاهان قارچی ارائه می کرد، زمانی که هر دو در دوره فوق دکتری در ORNL بودند، شروع به کار کردند. Gopalakrishnan Meena به دنبال برنامه های جدید برای خود بود فراگیری ماشین مهارتی که بیشتر در این مرحله از حرفه او برای مدل سازی تلاطم در جو و اقیانوس ها به کار گرفته شده است.

راش گفت: “ORNL و پروژه PMI به طور خاص در تشویق دانشمندان اولیه مانند مورالی و من برای همکاری و کشف ایده ها با رویکردهای جدید و بین رشته ای خوب هستند.”

این هیجان انگیز است که می بینیم محققان اولیه ما از قابلیت های منحصر به فرد ما در ORNL برای یافتن راه های جدیدی برای مقابله با مشکلات دشوار استفاده می کنند. هزاران متابولیت در سطح مشترک گیاه و میکروب وجود دارد. ما باید بدانیم چه زمانی از آنها استفاده می شود و چه کاری انجام می دهند.

سایر دانشمندان ORNL در این پروژه عبارتند از متیو لین و آرمین گایگر که هر دو نیز دانشجویان فارغ التحصیل در مرکز تحقیقات بین رشته ای و تحصیلات تکمیلی بریدسن در دانشگاه تنسی هستند. جوآنا تانوس، آلیسا کارل، پل آبراهام، ریچارد جیانونه و دانیل جاکوبسون. دو دانشمند سابق ORNL که روی این پروژه کار می کردند، جسی لبه، اکنون در TekHolding، و دیوید کاینر، اکنون در مرکز عالی شورای تحقیقات استرالیا برای موفقیت گیاهان در طبیعت و کشاورزی هستند. ژان میشل آنت و نانسی کلر از دانشگاه ویسکانسین مدیسون نیز مشارکت داشتند.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم وزارت انرژی، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده، مدیریت می کند. دفتر علوم برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.