Un ricercatore della NAU ha assegnato una sovvenzione NCI di $ 3,75 milioni per creare software per la ricerca sul cancro

Greg Caporaso, direttore del Center for Applied Microbiome Science, parte del Pathogen and Microbiome Institute (PMI) della Northern Arizona University, ha ricevuto una sovvenzione di 3,75 milioni di dollari dal National Cancer Institute (NCI) per costruire un software in grado di analizzare e archiviare dati incentrati sull'interazione tra il microbioma umano (i trilioni di microrganismi che vivono dentro e sul corpo umano) e diversi tipi di cancro .

Lo sviluppo di alcuni tipi di cancro:cancro gastrico e cancro cervicale, per esempio - hanno legami microbici ben consolidati. Le nostre tecnologie per lo studio del microbioma umano sono progredite rapidamente negli ultimi due decenni e continuano a progredire ogni giorno. Di conseguenza, ora abbiamo molte nuove tecniche per generare dati sulla composizione e sulle attività del microbioma umano, e molti ricercatori sul cancro stanno lavorando per utilizzare queste informazioni per comprendere nuovi collegamenti microbici.

Però, poiché i metodi analitici sono così nuovi, attualmente manca il software necessario per trasformare questi dati in nuova conoscenza. Con questo finanziamento, colmeremo questa lacuna software con lo sviluppo di un nuovo software open source per mettere in relazione il microbioma umano con il cancro. Ci aspettiamo che ciò alla fine ci consentirà di comprendere meglio lo sviluppo del cancro, per rilevare il cancro prima e per migliorare il trattamento e il recupero del cancro".

Greg Caporaso, Direttore, Centro per la scienza applicata del microbioma

Il progetto finanziato dal NCI consentirà a Caporaso e al suo team di migliorare QIIME 2, la piattaforma software di bioinformatica che hanno rilasciato per la prima volta alla fine del 2016, migliorare l'accesso ai metodi e ai dati bioinformatici del microbioma del cancro. Il team di Caporaso alla NAU comprende studenti laureati e universitari e ingegneri del software a tempo pieno.

Matthew Dillon ed Evan Bolyen, due ingegneri del software di ricerca nel laboratorio di Caporaso e co-primi autori dell'articolo QIIME 2, sarà coinvolto in modo centrale in tutti gli aspetti di progettazione e sviluppo di questo progetto. Il team prevede di sviluppare QIIME 2 in una piattaforma bioinformatica multi-omica del microbioma, supportare l'analisi e l'integrazione del genoma, metagenomica, metabolomica e altri dati "omici", guidato dalle esigenze della comunità di ricerca sul cancro.

"Molti importanti progetti sul microbioma del cancro hanno fatto progressi integrando diversi tipi di dati, tuttavia rimangono notevoli ostacoli tecnici per rendere la bioinformatica multi-omica del microbioma accessibile a tutti i ricercatori i cui progetti trarrebbero vantaggio da questi metodi, " disse Caporaso.

Con un background in ingegneria del software, Il precedente progetto di Caporaso, QIIME 1, è stato avviato 12 anni fa in collaborazione con il suo consulente post-dottorato Rob Knight, ora direttore del Center for Microbiome Innovation presso l'Università della California, San Diego (UCSD). QIIME 1 è stato progettato per facilitare i propri studi sui microbiomi - come quelli che si trovano nell'uomo o nel suolo - ma anche per rendere questi metodi accessibili a tutti i ricercatori sul microbioma.

Caporaso è entrato a far parte della facoltà della NAU nel 2011, dove ha continuato il suo lavoro su QIIME 1. Attraverso il suo lavoro con la Partnership for Native American Cancer Prevention, e successivamente durante un anno sabbatico all'NCI, Caporaso si rese conto della potenziale importanza del microbioma umano per il cancro. I suoi articoli principali su QIIME 1 e 2 sono stati citati ormai quasi 25, 000 volte nella letteratura di ricerca primaria, rendendolo uno dei ricercatori più quotati alla NAU, secondo Google Scholar, e Caporaso osserva che quasi il 20 percento di quelle citazioni proviene da studi sul cancro. Ciò lo ha portato a iniziare a concentrare gli sforzi per supportare meglio la comunità di ricerca sul cancro con QIIME, e infine a questo premio quinquennale dell'NCI.

"Questo è entusiasmante per i ricercatori sul cancro perché consentirà un nuovo tipo di studio nella ricerca sul microbioma, " ha detto. "QIIME è stato tipicamente utilizzato per generare una comprensione tassonomica del microbioma - quali microbi sono presenti in questo ambiente, e come le comunità di microbiomi si confrontano tra loro in base alla loro composizione tassonomica. Le nuove tecnologie stanno cominciando ad essere applicate per aiutarci a considerare altri fattori, come le attività biologiche in cui sono impegnati i microbi, e i prodotti metabolici di tali attività. Integrando questi dati, insieme a dati sull'ospite come il loro genoma, è sicuro che ci condurrà a nuove comprensioni meccanicistiche del ruolo del microbioma nel cancro".

QIIME 2 supporterà l'analisi di nuovi tipi di dati, come la metagenomica e la metabolomica, rispondere a domande riguardanti l'attività dei microbi. Ciò includerà informazioni sui geni funzionali codificati nei genomi microbici e sui metaboliti presenti nell'ambiente - piccole molecole come caffeina o etanolo e prodotti prodotti dai microbi - e su come potrebbero avere un impatto sull'ospite.

"Con la profilazione del microbioma, ci stiamo facendo un'idea della biologia; con il profilo dei metaboliti, stiamo ottenendo un'immagine della chimica. Questo ci aiuta a capire il più grande, visione più olistica di ciò che sta accadendo in questo ambiente infinitamente complesso del microbioma intestinale in cui ci sono trilioni di cellule che interagiscono tra loro e con i loro ambienti, tutti creano e consumano metaboliti, che influenzano il loro comportamento e il comportamento delle nostre cellule. Saremo in grado di sapere non solo chi c'è in termini di microrganismi, ma quello che stanno facendo, dove vivono e come interagiscono."

Come con QIIME 1, QIIME 2 è una piattaforma software open source, gratuito e disponibile per l'uso da parte di chiunque. QIIME 2 è stato progettato per espandere i metodi automatizzati di tracciamento e reporting per migliorare la riproducibilità della ricerca, e con questo finanziamento il team creerà nuovi strumenti per assistere con l'archiviazione dei dati a lungo termine. Gli aggiornamenti a QIIME 2 vengono rilasciati trimestralmente dal team di Caporaso, e hanno già iniziato a lavorare per alcuni degli obiettivi di questa sovvenzione.

"Questo è un progetto incredibilmente eccitante per la comunità di ricerca sul microbioma del cancro, " disse Melissa Herbst-Kralovetz, professore associato presso l'Università dell'Arizona Cancer Center e direttore del programma di ricerca sulla salute delle donne presso l'UA College of Medicine-Phoenix. "Il mio laboratorio studia il ruolo del microbiota nel cancro ginecologico, infezioni sessualmente trasmissibili e salute delle donne. Attualmente, stiamo sfruttando modelli umani in vitro 3D per comprendere meglio il ruolo del microbiota nello sviluppo e nella progressione del cancro, che si basa sull'integrazione di diversi tipi di dati da campioni clinici e dai nostri modelli 3D basati su laboratorio. La nuova funzionalità sviluppata per QIIME 2 ci aiuterà a valutare l'accuratezza di questi modelli, e alla fine traduciamo le informazioni che otteniamo da questi modelli 3D alla clinica per combattere il cancro".

"Quando saremo in grado di iniziare a connettere la biologia ospite, la microbiologia e la chimica, è allora che saremo davvero in grado di capire alcuni dei collegamenti mancanti tra il microbioma e lo sviluppo del cancro o il trattamento del cancro, " disse Caporaso.

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