Ny software til at hjælpe med at opdage værdifulde forbindelser

Som en postdoktoral forskningsmedarbejder i laboratoriet hos BTI-fakultetsmedlem Frank Schroeder, så Max Helf sine laboratoriekammerater konstant kæmpe, når de analyserede data. Så han besluttede at gøre noget ved det og udviklede en gratis open source-app kaldet Metaboseek, som nu er afgørende for laboratoriets arbejde.

Schroeder-laboratoriet studerer rundormen Caenorhabditis elegans, et af de mest succesrige modelsystemer for menneskelig biologi, for at opdage nye metabolitter, der styrer evolutionært bevarede signalveje og kan være nyttige som leads til udvikling af nye lægemidler eller agrokemikalier. Forskerne udfører denne opgave ved at sammenligne metabolitterne mellem to forskellige ormepopulationer - en proces kaldet komparativ metabolomik.

I betragtning af at prøver rutinemæssigt har mere end 100.000 forbindelser i sig, er beregningsmæssige tilgange afgørende for at udføre analysen.

Holdet havde været afhængigt af softwarepakker, der ikke tilbød det nødvendige fleksibilitetsniveau til nemt at tilpasse analyseparametre. Denne begrænsning og manglen på en passende grafisk brugergrænseflade betød, at Helfs kolleger stod over for den besværlige opgave at visuelt inspicere dynger af data - for eksempel for at spotte mulige falske positiver - og hoppe mellem flere andre softwareværktøjer for at bekræfte og filtrere de meningsløse fra. resultater.

"Det virkede bare meget ineffektivt for mig, og jeg kunne ikke komme over manglerne ved andre softwareløsninger til dette problem," sagde Helf. "Jeg tænkte, at der måtte være en nemmere måde, så jeg begyndte at skrive kode til min egen software."

Helf udviklede den første version af sin software i 2017 og fortsatte med at forbedre den i løbet af de næste to år. "Udover at tage fat på de problemer, mine kammerater allerede stod over for, talte jeg med dem om, hvad der ellers holdt dem tilbage - hvad de ville gøre, men ikke engang prøvede - og byggede disse funktioner i appen," sagde Helf, som nu er en bioinformatik produktchef hos proteomikvirksomheden Biognosys AG. "Jeg ønskede, at dette nye værktøj skulle være brugervenligt og tilgængeligt for alle, der beskæftiger sig med kemisk biologi."

Resultatet blev Metaboseek, en app med en grafisk grænseflade, der inkorporerer flere dataanalyseværktøjer, som ikke-kodende forskere ellers ikke ville have. Appen strømliner analysen af ​​sammenlignende metabolomiske data ved at hjælpe forskeren med at bestemme, hvilke datafunktioner der er reelle og lade dem grave dybere ned i disse funktioner – alt sammen inden for det samme værktøj.

"Max gjorde dette, uden at jeg selv bad om det," sagde Schroeder. "Før jeg vidste, at det her skete, var der Metaboseek. Vi begyndte at bruge det, og nu kunne vores laboratorium og mange samarbejdspartnere ikke eksistere uden det."

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Communications den 10. februar leverede Schroeders team proof-of-concept for Metaboseek ved at anvende det på en vigtig fedtstofskiftevej, som endnu ikke var blevet undersøgt:α-oxidationsvejen i C. elegans, der hjælper med at nedbryde en klasse af fedtsyrer.

Ved hjælp af Metaboseek fandt holdet, at rundorme, der mangler et nøglegen i α-oxidationsvejen, akkumulerede hundredvis af tidligere urapporterede metabolitter. Resultaterne er vigtige, fordi α-oxidation er en grundlæggende biokemisk vej i orme, som er bevaret hos mennesker, sagde Schroeder.

"Bennett Fox lavede kemiarbejdet, så denne undersøgelse var et godt samarbejde mellem de to postdocs," tilføjede Schroeder, som også er professor ved Cornell Universitys afdeling for kemi og kemisk biologi.

Ifølge Schroeder og Helf er der et par grunde til, at der ikke er mange gode analytiske værktøjer til at sammenligne metabolomiske data. For det første er sammenlignende metabolomik et relativt ungt felt sammenlignet med andre datatunge områder inden for biologi som genomik (som fokuserer på DNA) og proteomik (som fokuserer på proteiner), så der har ikke været tid nok til at udvikle softwareværktøjer og databaseinfrastruktur .

Derudover er fremkomsten af ​​overkommelige massespektrometre med ultrahøj opløsning til indsamling af metabolomiske data i løbet af det sidste årti steget med måske mere end tidoblet mængden af ​​data, som en prøve kan generere - hvilket skaber et endnu større behov for sofistikerede værktøjer, der kan holde op med strømmen af ​​data.

Metaboseek opfylder disse behov med en række funktioner til at analysere forskellige typer data for at hjælpe med identifikation af forbindelser, strukturbestemmelse, tildeling af metabolitter til familier baseret på strukturelle ligheder, sporing af radioaktivt mærkede forbindelser og mere. + Udforsk yderligere

En R-pakke til omfattende dataanalyse af peptid- og proteincentrerede bottom-up proteomikdata