Προσδιορισμός νέων μικροβιακών ενζύμων βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος μέσω μεταγενωμικής ανάλυσης
Authors: Λαδουκάκης Ευθύμιος 
Published: September 2021

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός αυτοματοποιημένου συστήματος βιοπληροφορικών αναλύσεων, το οποίο θα μπορούσε να διαχειριστεί και να αναλύσει μεταγενωμικά δεδομένα, με τελικό στόχο την εύρεση καινούριων ενζύμων βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος. Η διαδικασία σχεδιασμού του αυτοματοποιημένου συστήματος περιελάμβανε την αξιολόγηση πολυάριθμων βιοπληροφορικών εργαλείων μέσω της εφαρμογής τους σε πραγματικά μεταγενωμικά δεδομένα καθώς και την ανάπτυξη καινούριων αλγορίθμων που καλύπτουν τις αδυναμίες των ήδη υπαρχόντων. Η συλλογή των διαφορετικών εργαλείων και των νέων αλγορίθμων ενοποιήθηκε σε μία διαδικτυακή πλατφόρμα που κατασκευάστηκε με βάση το υπολογιστικό σύστημα Galaxy και ονομάστηκε ANASTASIA (Automated Nucleotide Aminoacid Sequences Translational plAtform for Systemic Interpretation and Analysis). Στην καινούρια πλατφόρμα το κάθε εργαλείο και αλγόριθμος γινόταν διαθέσιμο μέσω ενός φιλικού προς το χρήστη γραφικού περιβάλλοντος ενώ υπήρχε η δυνατότητα αυτοματοποίησης των αναλύσεων που περιλάμβαναν πολλά διαδοχικά εργαλεία μέσα από βιοπληροφορικές γραμμές εργασιών (pipelines). Ο σχεδιασμός των αυτοματοποιημένων γραμμών εργασιών έγινε μέσω της εφαρμογής των ενσωματωμένων εργαλείων σε μεταγενωμικά δεδομένα που αποκτήθηκαν από δύο ερευνητικά προγράμματα: το HotZyme και το COVERALL. Το πρώτο πρόγραμμα είχε ως σκοπό την εύρεση καινούριων θερμοσταθερών ενζύμων μέσω ανάλυσης των μεταγονιδιωμάτων μικροβιακών πληθυσμών σε θερμές πηγές, ενώ το δεύτερο πραγματευόταν την εύρεση μικροβιακών ειδών και αλληλουχιών που θα μπορούσαν να συσχετιστούν ως βιοδείκτες με την έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις CO2. Η βιοπληροφορική ανάλυση και στα δύο ερευνητικά προγράμματα ξεκίνησε από το επίπεδο των δεδομένων αλληλούχισης των μεταγονιδιωμάτων των αντίστοιχων δειγμάτων αλλά εξελίχθηκε σε δύο διαφορετικές μεθοδολογίες από τις οποίες προέκυψαν οι αντίστοιχες αυτοματοποιημένες γραμμές εργασιών. Η τελική έκδοση της πλατφόρμας με τα ενσωματωμένα εργαλεία και τις αντίστοιχες αυτοματοποιημένες γραμμές εργασιών έγινε στη συνέχεια διαθέσιμη διαδικτυακά αξιοποιώντας ένα διακομιστή που ανήκει στη σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ στη διεύθυνση http://motherbox.chemeng.ntua.gr/anastasia_dev/.Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων του ερευνητικού προγράμματος HotZyme προέκυψε μία λίστα αλληλουχιών πιθανών ενζύμων με υδρολυτική δράση (αριθμός EC 3.-.-.-) η οποία εξετάστηκε περαιτέρω για την επιλογή των επικρατέστερων υποψηφίων για εργαστηριακή επιβεβαίωση. Κατά τη συγγραφή αυτής της διατριβής ήδη δύο από τις παραπάνω αλληλουχίες έχουν απομονωθεί στο εργαστήριο, έχουν εκφραστεί επιτυχώς, έχουν χαρακτηριστεί πλήρως ως προς την ενζυμική λειτουργία τους και έχουν καταγραφεί σε δημόσιες βάσεις δεδομένων (UniProt) ως καινούριες καταχωρήσεις, επιβεβαιώνοντας τις αρχικές μας προβλέψεις. Αντίστοιχα τα αποτελέσματα του ερευνητικού προγράμματος COVERALL αποκάλυψαν 23 διαφορετικά μικροβιακά είδη των οποίων η παρουσία φαίνεται να συνδέεται στενά με την έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις CO2. Οι αντίστοιχες γονιδιακές τους αλληλουχίες έχουν ήδη απομονωθεί υπολογιστικά και ήδη λαμβάνει χώρα περαιτέρω ανάλυση για τον εντοπισμό χαρακτηριστικών αλληλουχιών που θα αποτελέσουν πιθανούς βιοδείκτες έκθεσης για το συγκεκριμένο ρύπο. Ο σχεδιασμός αυτής της πλατφόρμας, μέσα από τη συνεχή αλληλεπίδραση με πραγματικά μεταγενωμικά δεδομένα, βοήθησε εξαιρετικά στην αξιολόγηση των δυνατοτήτων της, αλλά και στην αναπροσαρμογή των αλγορίθμων της για τη βέλτιστη διαχείριση και ανάλυση των αντίστοιχων αρχείων. Έτσι το ουσιαστικό αποτέλεσμα αυτής της διατριβής δεν αποτελείται μόνο από τα συμπεράσματα των εκάστοτε αναλύσεων, αλλά σαφώς επίσης και από το εύχρηστο και διαρκώς εξελισσόμενο υπολογιστικό σύστημα που προέκυψε. Οι δυνατότητες αυτού του συστήματος ενώ έχουν αποδειχτεί για την περίπτωση μεταγονιδιωματικών δεδομένων μπορούν να επεκταθούν (και ήδη επεκτείνονται) περαιτέρω για όλους τους τομείς της Βιοτεχνολογίας και της Συνθετικής Βιολογίας.