NAU -forsker tildelte 3,75 millioner dollar NCI -stipend for å bygge kreftforskningsprogramvare

Greg Caporaso, direktør for Center for Applied Microbiome Science, del av Pathogen and Microbiome Institute (PMI) ved Northern Arizona University, har blitt tildelt et tilskudd på 3,75 millioner dollar av National Cancer Institute (NCI) for å bygge programvare som er i stand til å analysere og arkivere data med fokus på samspillet mellom det menneskelige mikrobiomet (billioner av mikroorganismer som lever i og på menneskekroppen) og ulike typer kreft .

Utviklingen av visse typer kreft - magekreft og livmorhalskreft, for eksempel - ha veletablerte mikrobielle koblinger. Våre teknologier for å studere det menneskelige mikrobiomet har raskt avansert de siste to tiårene og fortsetter å utvikle seg daglig. Som et resultat, vi har nå mange nye teknikker for å generere data om sammensetningen og aktivitetene til det menneskelige mikrobiomet, og mange kreftforskere jobber med å bruke denne informasjonen til å forstå nye mikrobielle koblinger.

Derimot, siden de analytiske metodene er så nye, programvaren som trengs for å gjøre disse dataene til ny kunnskap mangler for øyeblikket. Med denne finansieringen, vi vil fylle det programvaregapet med utviklingen av ny åpen kildekode -programvare for å relatere det menneskelige mikrobiomet til kreft. Vi forventer at det til syvende og sist vil gi oss mulighet til å bedre forstå kreftutviklingen, å oppdage kreft tidligere og forbedre kreftbehandling og gjenoppretting. "

Greg Caporaso, Regissør, Senter for anvendt mikrobiomvitenskap

Det NCI-finansierte prosjektet vil gjøre Caporaso og hans team i stand til å forbedre QIIME 2, programvareplattformen for bioinformatikk som de først ga ut i slutten av 2016, å forbedre tilgangen til metoder og data for kreftmikrobiom bioinformatikk. Caporasos team ved NAU inkluderer doktorgrads- og bachelorstudenter og heltids programvareingeniører.

Matthew Dillon og Evan Bolyen, to ingeniører i forskningsprogramvare i Caporasos laboratorium og medforfattere på QIIME 2-papiret, vil være sentralt involvert i alle design- og utviklingsaspekter av dette prosjektet. Teamet planlegger å utvikle QIIME 2 til en mikrobiom multi-omics bioinformatikkplattform, støtte analyse og integrering av genomisk, metagenomisk, metabolomics og andre "omics" -data, drevet av behovene til kreftforskningsmiljøet.

"Mange viktige kreftmikrobiomprosjekter har gjort fremskritt ved å integrere forskjellige datatyper, men det gjenstår betydelige tekniske hindringer for å gjøre mikroinformatikk bioinformatikk tilgjengelig for alle forskere hvis prosjekter ville ha nytte av disse metodene, "Sa Caporaso.

Med bakgrunn fra programvareingeniør, Caporasos forrige prosjekt, QIIME 1, ble startet for 12 år siden i samarbeid med sin postdoktorale rådgiver Rob Knight, nå direktør for Center for Microbiome Innovation ved University of California, San Diego (UCSD). QIIME 1 ble designet for å legge til rette for sine egne studier av mikrobiomer - for eksempel de som finnes hos mennesker eller i jord - men også for å gjøre disse metodene tilgjengelige for alle mikrobiomforskere.

Caporaso begynte på fakultetet ved NAU i 2011, hvor han fortsatte arbeidet med QIIME 1. Gjennom sitt arbeid med Partnership for Native American Cancer Prevention, og deretter under en sabbatsperiode ved NCI, Caporaso innså den potensielle betydningen av det menneskelige mikrobiomet for kreft. Hans hovedartikler på QIIME 1 og 2 har nå blitt sitert nesten 25, 000 ganger i den primære forskningslitteraturen, gjør ham til en av de mest siterte forskerne ved NAU, ifølge Google Scholar, og Caporaso bemerker at nesten 20 prosent av disse sitatene er fra studier om kreft. Dette førte til at han begynte å fokusere innsatsen på å bedre støtte kreftforskningssamfunnet med QIIME, og til slutt til denne femårige prisen fra NCI.

"Dette er spennende for kreftforskere fordi det kommer til å muliggjøre en ny type studier innen mikrobiomforskning, "sa han." QIIME har vanligvis blitt brukt til å generere en taksonomisk forståelse av mikrobiomet-hvilke mikrober som er tilstede i dette miljøet, og hvordan mikrobiomfellesskap sammenligner seg med hverandre basert på deres taksonomiske sammensetning. Ny teknologi begynner å bli tatt i bruk for å hjelpe oss med å vurdere andre faktorer, for eksempel hvilke biologiske aktiviteter mikrober er engasjert i, og de metabolske produktene av disse aktivitetene. Integrering av disse dataene, sammen med data om verten, for eksempel genomet deres, er sikker på å lede oss til nye mekanistiske forståelser av mikrobiomets rolle i kreft. "

QIIME 2 vil støtte analyse av nye typer data, som metagenomikk og metabolomikk, å svare på spørsmål angående mikrobenes aktivitet. Dette vil inkludere informasjon om de funksjonelle genene som er kodet for mikrobielle genomer og metabolittene som er tilstede i miljøet - små molekyler som koffein eller etanol og produkter produsert av mikrober - og hvordan de kan påvirke verten.

"Med mikrobiomprofilering, vi får en ide om biologien; med metabolittprofilering, vi får et bilde av kjemi. Det hjelper oss å forstå det større, mer helhetlig oversikt over hva som skjer i dette uendelig komplekse miljøet i tarmmikrobiomet der du har milliarder av celler som interagerer med hverandre og omgivelsene deres, alle skaper og forbruker metabolitter, som påvirker deres oppførsel og oppførselen til cellene våre. Vi vil ikke bare kunne vite hvem som er der når det gjelder mikroorganismer, men hva de gjør, hvor de bor og hvordan de samhandler. "

Som med QIIME 1, QIIME 2 er en åpen kildekode-programvareplattform, gratis og tilgjengelig for alle. QIIME 2 ble designet for å utvide automatiserte metoder for sporing og rapportering for å forbedre forskningens reproduserbarhet, og med denne finansieringen vil teamet lage nye verktøy for å bistå med langsiktig dataarkivering. Oppdateringer til QIIME 2 blir utgitt kvartalsvis av Caporasos team, og de har allerede begynt å jobbe mot noen av målene med dette tilskuddet.

"Dette er et utrolig spennende prosjekt for forskningsmiljøet for kreftmikrobiom, "sa Melissa Herbst-Kralovetz, lektor ved University of Arizona Cancer Center og direktør for Women's Health Research Program ved UA College of Medicine-Phoenix. "Laboratoriet mitt undersøker mikrobiotas rolle i gynekologisk kreft, seksuelt overførbare infeksjoner og kvinners helse. Akkurat nå, vi utnytter 3D in vitro menneskelige modeller for bedre å forstå mikrobiotas rolle i kreftutvikling og progresjon, som er avhengig av å integrere forskjellige datatyper fra kliniske prøver og våre labbaserte 3D-modeller. Den nye funksjonaliteten som utvikles for QIIME 2 vil hjelpe oss å vurdere nøyaktigheten til disse modellene, og til slutt oversette informasjonen vi får fra disse 3D -modellene tilbake til klinikken for å bekjempe kreft. "

"Når vi kan begynne å koble vertsbiologien, mikrobiologi og kjemi, det er da vi virkelig skal kunne finne ut noen av de manglende koblingene mellom mikrobiomet og kreftutvikling eller kreftbehandling, "Sa Caporaso.

• Edderkoppespeptid kan hjelpe til med å stoppe smerter ved irritabel tarm
• Eksistens av hjerne-første og kropp-første Parkinsons sykdom-undertyper