NAU-Forscher erhält 3,75 Millionen US-Dollar NCI-Zuschuss für die Entwicklung von Krebsforschungssoftware

Gregor Caporaso, Direktor des Zentrums für Angewandte Mikrobiomwissenschaften, Teil des Pathogen and Microbiome Institute (PMI) der Northern Arizona University, hat vom National Cancer Institute (NCI) einen Zuschuss in Höhe von 3,75 Millionen US-Dollar erhalten, um eine Software zu entwickeln, die Daten analysieren und archivieren kann, die sich auf das Zusammenspiel zwischen dem menschlichen Mikrobiom (den Billionen von Mikroorganismen, die im und auf dem menschlichen Körper leben) und verschiedenen Krebsarten konzentrieren .

Die Entwicklung bestimmter Krebsarten - Magenkrebs und Gebärmutterhalskrebs, zum Beispiel - gut etablierte mikrobielle Verbindungen haben. Unsere Technologien zur Erforschung des menschlichen Mikrobioms haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasant weiterentwickelt und werden täglich weiterentwickelt. Als Ergebnis, wir haben jetzt viele neue Techniken, um Daten über die Zusammensetzung und Aktivitäten des menschlichen Mikrobioms zu generieren, und viele Krebsforscher arbeiten daran, diese Informationen zu nutzen, um neue mikrobielle Verbindungen zu verstehen.

Jedoch, da die analytischen Methoden so neu sind, die notwendige Software, um diese Daten in neues Wissen umzuwandeln, fehlt derzeit. Mit dieser Finanzierung Wir werden diese Softwarelücke mit der Entwicklung neuer Open-Source-Software schließen, um das menschliche Mikrobiom mit Krebs in Verbindung zu bringen. Wir gehen davon aus, dass uns dies letztendlich ermöglichen wird, die Krebsentwicklung besser zu verstehen, um Krebs früher zu erkennen und die Krebsbehandlung und Genesung zu verbessern."

Gregor Caporaso, Direktor, Zentrum für Angewandte Mikrobiomwissenschaft

Das vom NCI finanzierte Projekt wird es Caporaso und seinem Team ermöglichen, QIIME 2 zu verbessern, die Bioinformatik-Softwareplattform, die Ende 2016 erstmals veröffentlicht wurde, um den Zugang zu bioinformatischen Methoden und Daten des Krebsmikrobioms zu verbessern. Das Team von Caporaso an der NAU besteht aus Studenten und Studenten im Grundstudium und Vollzeit-Software-Ingenieuren.

Matthew Dillon und Evan Bolyen, zwei Forschungssoftwareingenieure im Labor von Caporaso und Co-Erstautoren des QIIME 2-Papiers, wird zentral in alle Design- und Entwicklungsaspekte dieses Projekts eingebunden. Das Team plant, QIIME 2 zu einer Mikrobiom-Multi-Omics-Bioinformatik-Plattform zu entwickeln. unterstützende Analyse und Integration genomischer, metagenom, Metabolomik- und andere „omics“-Daten, getrieben von den Bedürfnissen der Krebsforschungsgemeinschaft.

"Viele wichtige Krebs-Mikrobiom-Projekte haben Fortschritte gemacht, indem sie verschiedene Datentypen integriert haben, dennoch bleiben erhebliche technische Hürden, um die Mikrobiom-Multi-Omics-Bioinformatik allen Forschern zugänglich zu machen, deren Projekte von diesen Methoden profitieren würden, “, sagte Caporaso.

Mit einem Hintergrund in Software-Engineering, Caporasos vorheriges Projekt, QIIME 1, wurde vor 12 Jahren in Zusammenarbeit mit seinem Postdoc-Berater Rob Knight gegründet, jetzt Direktor des Center for Microbiome Innovation an der University of California, San Diego (UCSD). QIIME 1 wurde entwickelt, um eigene Studien zu Mikrobiomen – wie sie im Menschen oder im Boden vorkommen – zu ermöglichen, aber auch um diese Methoden allen Mikrobiom-Forschern zugänglich zu machen.

Caporaso trat 2011 der Fakultät der NAU bei, wo er seine Arbeit an QIIME 1 fortsetzte. Durch seine Arbeit mit der Partnership for Native American Cancer Prevention, und anschließend während eines Sabbaticals am NCI, Caporaso erkannte die potenzielle Bedeutung des menschlichen Mikrobioms für Krebs. Seine Primärarbeiten zu QIIME 1 und 2 wurden inzwischen fast 25 zitiert. 000 mal in der primären Forschungsliteratur, und gehört damit zu den meistzitierten Forschern der NAU, laut Google Scholar, und Caporaso stellt fest, dass fast 20 Prozent dieser Zitate aus Studien über Krebs stammen. Dies führte ihn dazu, seine Bemühungen auf eine bessere Unterstützung der Krebsforschungsgemeinschaft mit QIIME zu konzentrieren. und schließlich zu dieser fünfjährigen Auszeichnung des NCI.

„Das ist für Krebsforscher spannend, weil es eine neue Art von Studie in der Mikrobiomforschung ermöglichen wird. “ sagte er. „QIIME wurde typischerweise verwendet, um ein taxonomisches Verständnis des Mikrobioms zu generieren – welche Mikroben in dieser Umgebung vorhanden sind, und wie sich Gemeinschaften von Mikrobiomen basierend auf ihrer taxonomischen Zusammensetzung miteinander vergleichen. Neue Technologien werden eingesetzt, um uns zu helfen, andere Faktoren zu berücksichtigen, an welchen biologischen Aktivitäten die Mikroben beteiligt sind, und die Stoffwechselprodukte dieser Aktivitäten. Integration dieser Daten, zusammen mit Daten über den Wirt wie sein Genom, wird uns sicher zu neuen mechanistischen Erkenntnissen über die Rolle des Mikrobioms bei Krebs führen."

QIIME 2 wird die Analyse neuer Datentypen unterstützen, wie Metagenomik und Metabolomik, um Fragen zur Aktivität von Mikroben zu beantworten. Dazu gehören Informationen über die funktionellen Gene, die in mikrobiellen Genomen kodiert sind, und die in der Umwelt vorhandenen Metaboliten – kleine Moleküle wie Koffein oder Ethanol und von Mikroben produzierte Produkte – und wie sie sich auf den Wirt auswirken könnten.

"Mit Mikrobiom-Profiling, wir bekommen eine Vorstellung von der Biologie; mit Metabolit-Profiling, Wir machen uns ein Bild von der Chemie. Das hilft uns, das Größere zu verstehen, ganzheitlichere Sicht auf das, was in dieser unendlich komplexen Umgebung des Darmmikrobioms vor sich geht, in der Billionen von Zellen miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren, alle erzeugen und verbrauchen Metaboliten, die ihr Verhalten und das Verhalten unserer Zellen beeinflussen. Wir werden nicht nur wissen, wer es in Bezug auf Mikroorganismen gibt, aber was sie tun, wo sie leben und wie sie interagieren."

Wie bei QIIME 1, QIIME 2 ist eine Open-Source-Softwareplattform, kostenlos und für jedermann nutzbar. QIIME 2 wurde entwickelt, um automatisierte Methoden zur Verfolgung und Berichterstattung zu erweitern, um die Reproduzierbarkeit der Forschung zu verbessern. und mit dieser Finanzierung wird das Team neue Tools zur Unterstützung der langfristigen Datenarchivierung entwickeln. Updates für QIIME 2 werden vierteljährlich vom Caporaso-Team veröffentlicht. und sie haben bereits begonnen, auf einige der Ziele dieses Stipendiums hinzuarbeiten.

"Dies ist ein unglaublich spannendes Projekt für die Krebs-Mikrobiom-Forschungsgemeinschaft, " sagte Melissa Herbst-Kralovetz, außerordentlicher Professor am Krebszentrum der Universität von Arizona und Direktor des Forschungsprogramms für Frauengesundheit am UA College of Medicine-Phoenix. "Mein Labor untersucht die Rolle der Mikrobiota bei gynäkologischem Krebs, sexuell übertragbare Infektionen und die Gesundheit von Frauen. Derzeit, Wir nutzen 3D-In-vitro-Humanmodelle, um die Rolle der Mikrobiota bei der Krebsentstehung und -progression besser zu verstehen, die auf der Integration unterschiedlicher Datentypen aus klinischen Proben und unseren laborbasierten 3D-Modellen beruht. Die neue Funktionalität, die für QIIME 2 entwickelt wird, wird uns helfen, die Genauigkeit dieser Modelle zu beurteilen. und schließlich die Informationen, die wir aus diesen 3D-Modellen gewinnen, zurück in die Klinik übertragen, um Krebs zu bekämpfen."

"Wenn wir in der Lage sind, die Wirtsbiologie zu verbinden, die Mikrobiologie und die Chemie, Dann werden wir wirklich in der Lage sein, einige der fehlenden Verbindungen zwischen dem Mikrobiom und der Krebsentwicklung oder Krebsbehandlung herauszufinden. “, sagte Caporaso.

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