Usare un approccio basato sui dati descritto nella rivista Nesso PNASGli scienziati dell’ORNL sono stati in grado di prevedere quali sostanze avrebbero stimolato meglio i metaboliti fungini, quindi hanno convalidato i risultati in laboratorio utilizzando colture di muffe Aspergillus fumigatus, analisi della spettrometria di massa e confronto con i set di dati pubblicati. L’approccio accelera notevolmente il meticoloso processo generalmente utilizzato per identificare, estrarre e caratterizzare metaboliti specializzati.
Il quadro di modellazione sfrutta la teoria dei grafi, un approccio di apprendimento automatico che analizza le complesse relazioni in processi come le interazioni dei microbi tra loro e con le piante. “Utilizzando la teoria dei grafi, possiamo identificare meglio i segnali chimici che attivano determinati metaboliti nei funghi e possiamo anche usarli per restringere il campo delle specie fungine importanti da analizzare”, ha affermato Muralikrishnan (Murali) Gopalakrishnan Meena, scienziato computazionale presso l’ORNL. Centro Nazionale per le Scienze Computazionali.
La ricerca fa parte del Area di interesse scientifico sulle interfacce pianta-microbo presso ORNL, un progetto sponsorizzato dal programma di ricerca biologica e ambientale dell’Ufficio di Scienze dell’Energia che mira a comprendere meglio le relazioni reciprocamente vantaggiose tra piante e microbi nell’ambiente delle radici delle piante noto come rizosfera. Tali informazioni possono quindi essere utilizzate per affrontare le sfide legate alla bioenergia, al risanamento ambientale e allo stoccaggio del carbonio nel suolo.
L’SFA si concentra in gran parte sul pioppo, una coltura di biomassa chiave studiata presso l’ORNL per la produzione di bioenergia. “Vogliamo comprendere gli effetti di metaboliti, organismi e composti sul pioppo: le sue radici, i fusti, le foglie, l’intero microbioma”, ha affermato Tomás Rush, un micologo della Divisione di Bioscienze dell’ORNL che ha co-diretto il progetto.
Ad alcuni funghi piace A. fumigatusun microbo importante per il ciclo del carbonio presente nella rizosfera dei pioppi, sono bravi a identificare sia le minacce che i benefattori nel microbioma del suolo che possono influenzare gli ospiti delle piante, ha detto Rush.
I funghi “lasciano cadere la corda” per i microbi amici delle piante
“Aspergillo sembra che permetta ad alcuni microbi di avvicinarsi alla rizosfera tenendone fuori altri”, ha detto Rush. “Ci sono tonnellate di microbi nel terreno, ma perché ne troviamo sempre solo pochi nella rizosfera dei pioppi? Lo considero come una discoteca dove i buttafuori tengono fuori alcune persone mentre lasciano cadere la corda all’ingresso per far entrare gli altri. Aspergillo sta facendo, agendo come guardie del corpo per consentire ad alcuni microbi di avvicinarsi alla pianta mentre ne isolano altri. “
Questa relazione di gatekeeping è stata descritta più approfonditamente in una pubblicazione sulla rivista mSistemiche ha esplorato il ruolo di una molecola di segnalazione di derivazione microbica in una benefica simbiosi pianta-fungo.
Nell’ultimo anno, Rush e i suoi colleghi hanno raccolto e identificato più di 1.500 funghi – isolati dall’ambiente simbiotico del pioppo – utilizzando approcci sperimentali e computazionali, raddoppiando il database precedente.
“C’è già molto lavoro computazionale e bioinformatico in corso” come parte del Plant-Microbes SFA”, ha detto Gopalakrishnan Meena. “Con questo progetto, introduciamo strumenti scientifici di rete per classificare queste interazioni con la nuova prospettiva di qualcuno che non è un biologo, ma è aiutato a comprendere il problema dai colleghi che lo sono. Possiamo utilizzare gli stessi strumenti di tipo AI basati sui dati per molte sfide scientifiche complesse”.
Il progetto ha utilizzato le risorse dell’Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura utente del DOE Office of Science presso l’ORNL, come la piattaforma JupyterHub che supporta analisi multiutente e basate sui dati con accesso continuo a dati e codici in un unico hub.
I ricercatori hanno iniziato a lavorare insieme dopo che Gopalakrishnan Meena ha partecipato a una sessione di poster in cui Rush presentava il suo lavoro sulle piante fungine quando erano entrambi ricercatori post-dottorato presso l’ORNL. Gopalakrishnan Meena era alla ricerca di nuove applicazioni per la sua esperienza nell’apprendimento automatico, che a quel punto della sua carriera era stata applicata principalmente per modellare la turbolenza nell’atmosfera e negli oceani.
“L’ORNL e il progetto PMI in particolare sono bravi a incoraggiare scienziati all’inizio della carriera come Murali e me a collaborare ed esplorare idee con nuovi approcci interdisciplinari”, ha affermato Rush.
”È emozionante vedere i nostri ricercatori all’inizio della carriera sfruttare le nostre capacità uniche presso l’ORNL per trovare nuovi modi per affrontare problemi difficili. Ci sono migliaia di metaboliti che lavorano all’interfaccia tra piante e microbi. Dobbiamo sapere quando vengono utilizzati e cosa fanno”, ha affermato Mitchel Doktycz, membro aziendale dell’ORNL e capo della sezione di bioimaging e analisi del laboratorio, che guida il PMI SFA.
Altri scienziati dell’ORNL coinvolti nel progetto includono Matthew Lane e Armin Geiger, entrambi studenti del Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education presso l’Università del Tennessee; Joanna Tannous, Alyssa Carrell, Paul Abraham, Richard Giannone e Daniel Jacobson. Due ex scienziati dell’ORNL che hanno lavorato al progetto sono Jesse Labbé, ora alla TekHolding, e David Kainer, ora al Centro di eccellenza del Consiglio di ricerca australiano per il successo delle piante in natura e agricoltura. Hanno contribuito anche Jean-Michel Ané e Nancy Keller dell’Università del Wisconsin-Madison.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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