Mikroskopické organismy, které vyplňují naše těla, půdy, oceány a atmosféru, hrají zásadní roli v lidském zdraví a ekosystémech planety. Přesto i při moderním sekvenování DNA zůstává zjištění, co tito mikrobi jsou a jak spolu souvisí, extrémně obtížné.
Ve dvojici nových studií vědci z Arizona State University představují výkonné nástroje, které tuto práci usnadňují, zpřesňují a mnohem škálovatelnější. Jeden nástroj zlepšuje způsob, jakým vědci vytvářejí mikrobiální rodokmeny. Druhý poskytuje softwarový základ používaný po celém světě k analýze biologických dat.
Společně tyto pokroky posilují vědecké základy mikrobiom výzkum, sledování nemocí, monitorování životního prostředí a nově vznikající obory, jako je precizní medicína.
Náš tým vytváří softwarové nástroje s otevřeným zdrojovým kódem, protože věříme, že když bude mít každý přístup k vědeckým nástrojům a jejich rozšíření, celá komunita z toho bude mít prospěch a zrychlí se objevování.“
Qiyun Zhu, Arizona State University
Zhu je výzkumný pracovník Centra biodesignu pro základní a aplikovanou mikrobiomiku a odborný asistent na School of Life Sciences ASU. K němu se připojují kolegové z ASU a mezinárodní spolupracovníci.
V časopise se objevuje první studie o zlepšení markerových genů Příroda komunikace. Druhá studie, popisující open-source softwarovou knihovnu známou jako scikit-bio, se objevuje v Přírodní metody.
Rodinná záležitost
Budování podrobných a přesných evolučních stromů je zásadní pro pochopení toho, jak se mikrobi vyvíjejí a ovlivňují svět. Lepší evoluční stromy zlepšují sledování nemocí a pomáhají vědcům sledovat, jak se škodlivé mikroby v průběhu času mění. Také zdokonalují environmentální výzkum a ukazují, jak mikrobiální komunity reagují na znečištění nebo klimatické změny. Jasnější mikrobiální identifikace také posiluje studie střevního mikrobiomu a jeho role ve zdraví.
Odhalení vzájemného vztahu mikrobů začíná výběrem správných markerových genů – ukazatelů v DNA, které sledují jejich evoluční historii.
Po mnoho let se vědci spoléhali na stejnou malou sadu tradičních markerových genů. Ale v rostoucí oblasti metagenomikavýzkumníci nyní pracují s miliony genomů, často přímo ze vzorků životního prostředí. Metagenomika umožňuje vědcům sebrat veškerou DNA v prostředí a sekvenovat ji najednou, čímž odhalí celá skrytá společenství mikrobů.
Tyto genomy jsou extrémně cenné, ale často jsou neúplné nebo nerovnoměrné v kvalitě. To ztěžuje použití fixní sady markerových genů a očekává přesné evoluční výsledky.
Aby to vyřešili, Zhu a kolegové pomohli vyvinout TMarSel (zkratka pro Tree-based Marker Selection). Místo ručního výběru genů TMarSel automaticky prohledává tisíce možných genových rodin a vybírá kombinaci, která vytvoří nejspolehlivější evoluční strom. Hodnotí každý gen, jak je běžný, jak informativní a jak moc přispívá ke stabilnímu, smysluplnému obrazu mikrobiálních vztahů.
Výsledkem je flexibilní, daty řízený způsob, jak budovat mikrobiální stromy, které dobře fungují i pro velké a různorodé skupiny organismů – a dokonce i tehdy, když je mnoho genomů dokončeno jen částečně.
Scikit-bio: Ancestry.com pro mikroby
Zhu je také hlavním vývojářem scikit-bio, rozsáhlé softwarové knihovny s otevřeným zdrojovým kódem. Scikit-bio poskytuje vědcům nástroje, které potřebují k analýze obrovských biologických datových souborů. Je zvláště užitečný pro studium mikrobiomů – společenství mikrobů, kteří žijí ve specifickém prostředí, jako je lidské střevo.
Soubory biologických dat se nepodobají žádnému jinému druhu dat: jsou extrémně velké, velmi řídké a často obsahují tisíce vzájemně propojených prvků. Standardní programy pro analýzu dat nejsou vytvořeny pro tuto úroveň fragmentace a složitosti. Scikit-bio zaplňuje tuto mezeru tím, že nabízí více než 500 funkcí pro úkoly, jako jsou:
- Srovnání mikrobiálních společenstev.
- Výpočet diverzity.
- Transformace kompozičních dat.
- Analýza sekvencí DNA, RNA a proteinů.
- Budování a úprava fylogenetických stromů.
- Příprava dat pro strojové učení.
Projekt je řízen komunitou, podporuje jej více než 80 přispěvatelů a je udržován přísným testováním a dokumentací. Byl již citován v desítkách tisíc vědeckých prací napříč medicínou, ekologií, klimatologií a biologií rakoviny. Stal se základním nástrojem pro výzkumníky analyzující mikrobiom a další velké oblasti moderní biologie bohaté na data.
Nová éra v mikrobiálním výzkumu
Jak se biologické datové soubory rozrůstají, nástroje jako scikit-bio a TMarSel činí rozsáhlý výzkum spolehlivější a reprodukovatelnější.
Studie posilují rostoucí roli ASU na průsečíku biologie a počítání. Zhuova práce ukazuje, jak spojení evolučního vhledu s pokročilým softwarovým inženýrstvím může vytvořit nástroje používané vědci po celém světě.
Vzhledem k tomu, že sekvenování DNA je stále rychlejší a levnější, vědci odhalí ještě více z mikrobiálního vesmíru. Nástroje jako TMarSel a scikit-bio zajišťují, že tato záplava dat může být přeměněna na skutečný vědecký náhled.
Zdroj:
Odkaz na deník:
Aton, M., a kol. (2025). Scikit-bio: základní knihovna Pythonu pro analýzu biologických omických dat. Přírodní metody. DOI:10.1038/s41592-025-02981-z. https://www.nature.com/articles/s41592-025-02981-z.
