Nieuwe software om waardevolle verbindingen te ontdekken

Als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van BTI-faculteitslid Frank Schroeder heeft Max Helf zijn laboratoriumcollega’s voortdurend zien lijden terwijl ze gegevens analyseerden. Dus besloot hij er iets aan te doen en ontwikkelde een gratis, open source app genaamd Metaboseek, die nu essentieel is voor het werk van het lab.

Het laboratorium van Schroeder bestudeert de rondworm Caenorhabditis elegans, een van de meest succesvolle modelsystemen van de menselijke biologie, om nieuwe metabolieten te ontdekken die evolutionair geconserveerde signaalroutes bepalen en die nuttig kunnen zijn als pooiers voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen of landbouwchemicaliën. De onderzoekers volbrengen deze taak door metabolieten tussen twee verschillende groepen wormen te vergelijken – een proces dat vergelijkend metabolisme wordt genoemd.

Aangezien monsters routinematig meer dan 100.000 verbindingen bevatten, zijn rekenmethoden essentieel om de analyse uit te voeren.

Het team vertrouwde op softwarepakketten die niet het vereiste niveau van flexibiliteit boden om analyseparameters gemakkelijk aan te passen. Deze beperking, en het ontbreken van een goede grafische gebruikersinterface, betekende dat de collega’s van Helf voor de omslachtige taak stonden om stapels gegevens visueel te onderzoeken – bijvoorbeeld om potentiële valse positieven te identificeren – en tussen vele andere softwaretools te springen om die te bevestigen en uit te filteren verouderde resultaten.

“Het leek me erg inefficiënt en ik kon de tekortkomingen van andere softwareoplossingen voor dit probleem niet oplossen”, zei Helf. “Ik dacht dat er een eenvoudigere manier moest zijn, dus begon ik code te schrijven voor mijn eigen programma.”

Helf ontwikkelde de eerste versie van zijn software in 2017 en bleef deze de komende twee jaar verbeteren. zei Helf, die nu productmanager bioinformatica is bij Protomics Biognosys AG. “Ik wilde dat deze nieuwe tool gebruiksvriendelijk en beschikbaar zou zijn voor iedereen die chemisch bioloog is.”

Het resultaat was Metaboseek, een grafische interface-app die meerdere tools voor gegevensanalyse bevat die niet-crypto-onderzoekers anders niet zouden hebben. De app vereenvoudigt de analyse van vergelijkende metabolische gegevens door de onderzoeker te helpen kenmerken van de echte gegevens te identificeren en hen in staat te stellen dieper in die kenmerken te graven – allemaal binnen dezelfde tool.

“Max deed dit zonder dat ik erom vroeg”, zei Schroeder. “Voordat ik wist dat dit gebeurde, was er Metaboseek. We zijn het gaan gebruiken en nu kunnen ons lab en vele medewerkers niet meer zonder.”

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie Op 10 februari leverde het team van Schroeder een proof-of-concept voor Metaboseek door het toe te passen op een belangrijke, nog te bestuderen route van het lipidenmetabolisme: de alfa-oxidatieroute in C. elegans die helpt bij het afbreken van een klasse vetzuren.

Met behulp van Metaboseek ontdekte het team dat rondwormen zonder een sleutelgen in de alfa-oxidatieroute honderden metabolieten verzamelden die niet eerder waren gemeld. Schroeder zei dat de bevindingen belangrijk zijn omdat alfa-oxidatie een essentiële biochemische route is in wormen die bij mensen behouden blijft.

Schroeder, die ook professor is aan de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie van de Cornell University, voegde toe:

Volgens Schroeder en Helf zijn er verschillende redenen waarom er niet veel goede analytische hulpmiddelen zijn om metabole gegevens te vergelijken. Ten eerste is vergelijkend metabolisme een relatief jong veld in vergelijking met andere data-intensieve gebieden van de biologie zoals genomics (die zich richten op DNA) en proteomics (die zich richten op eiwitten), dus er is niet genoeg tijd geweest om softwaretools en database-infrastructuur te ontwikkelen .

Bovendien is in het afgelopen decennium de komst van betaalbare massaspectrometrie-apparaten met hoge resolutie voor het verzamelen van metabole gegevens misschien meer dan tien keer zo groot geworden als de hoeveelheid gegevens die een enkel monster kan genereren, waardoor er een nog grotere behoefte is ontstaan ​​aan complexe instrumenten die gegevens met een stroom van gegevens. .

Metaboseek komt aan deze behoeften tegemoet met een reeks functies om verschillende soorten gegevens te analyseren om de identificatie van verbindingen, structuuridentificatie te vergemakkelijken, metabolieten toe te wijzen aan families op basis van structurele overeenkomsten, radioactief gelabelde verbindingen op te sporen en meer.