Les applications de la bioinformatique dans la technologie microbienne

Bioinformatique est une discipline développée sur la base de la biologie, des mathématiques et de l'informatique. Elle acquiert et analyse efficacement des données biologiques telles que les séquences d'acides nucléiques et les structures protéiques, afin de réaliser des analyses biologiques complètes et précises. La bioinformatique est un outil extrêmement important pour étudier les microorganismes, qui sont répandus et très variés. Dans le domaine de la microbiologie, l'organisation et l'application des données à travers bioinformatique peut profondément améliorer la qualité de la recherche microbienne.

Introduction à la bioinformatique

Bioinformatique représente un domaine interdisciplinaire, synthétisant des concepts de l'informatique, des mathématiques et de la biologie. La discipline implique l'obtention, le traitement, le stockage, la distribution, l'analyse et l'interprétation des données biologiques, s'appuyant sur des méthodologies computationnelles et mathématiques, et utilisant des outils biologiques pour élucider et comprendre la richesse des informations encapsulées dans de tels ensembles de données volumineux. L'objectif de bioinformatique il s'agit d'enrichir les données biologiques et d'appliquer des algorithmes informatiques pour leur analyse. Essentiellement, il concerne l'analyse, le stockage et l'échange de vastes quantités de données biologiques. Pour la bioinformatique, le contenu biologique représente l'objectif de recherche, l'entité et l'objet, tandis que la science de l'information fournit la plateforme de recherche, les technologies et les moyens.

Reconnu comme une science interdisciplinaire émergente, Bioinformatique a évolué pour devenir l'une des disciplines scientifiques à la croissance la plus rapide au cours des deux dernières décennies. Cette croissance est attribuable non seulement à des avancées significatives dans les méthodologies de recherche, aux développements technologiques au sein de la biologie, en particulier aux progrès continus de la technologie omique, qui entraînent des volumes de données biologiques en forte croissance exponentielle, mais aussi à l'évolution rapide de la science de l'information, notamment dans la technologie informatique. Par conséquent, le stockage et l'analyse de données à grande échelle génomique, transcriptomiqueet les ensembles de données protéomiques ne sont plus des défis informatiques. L'avènement d'algorithmes informatiques thématiques, tels que l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle, permet une compréhension plus approfondie et une extraction des données biologiques, approfondissant notre connaissance du langage de la vie avec l'aide de la technologie informatique. Bioinformatique comprend des domaines essentiels tels que les bases de données biologiques, l'alignement de séquences, la prédiction de gènes et de promoteurs, la phylogénétique moléculaire, la structure bioinformatique, génomique et protéomique.

Les applications de la bioinformatique dans la recherche microbienne sont multiples, offrant un soutien essentiel dans des domaines tels que la classification des espèces de micro-organismes, la fonction des gènes et les voies métaboliques, les modèles régulateurs de l'expression génique, ainsi que le développement de médicaments et d'antibiotiques. Avec l'avancement continu de bioinformatique technologie, il est prévu que cette technique maintienne son rôle crucial dans le domaine de la recherche microbienne, catalysant ainsi la progression et les avancées au sein de la microbiologie en tant que discipline.

Bioinformatique dans l'identification microbienne

Le identification la diversité génétique d'un grand nombre de micro-organismes est un projet nécessitant beaucoup de données, et la bioinformatique peut grandement améliorer son efficacité. Grâce aux informations sur les séquences de protéines, les séquences d'ADN et les structures de protéines, bioinformatique la technologie peut fournir aux chercheurs un moyen précis et rapide de profiler les microbes. Par exemple, le séquençage à molécule unique fourni par PacBio SMRT peut utiliser des signaux fluorescents pour le séquençage de microorganismes et réaliser la synchronisation de la synthèse et du séquençage. L'application des technologies de séquençage, telles que le séquençage Sanger et le séquençage de nouvelle génération (NGS), permet l'acquisition de séquences génomiques microbiennes. En tirant parti bioinformatique Des outils pour l'alignement de séquences et l'identification des espèces nous permettent de déterminer avec précision la position taxonomique des microorganismes, contribuant ainsi à la recherche sur leurs relations phylogénétiques. En même temps, en contrastant et en interrogeant les différences entre divers génomes microbiens, nous pouvons élucider les mécanismes sous-jacents à l'évolution microbienne et aux processus d'adaptation environnementale.

Le travail de Reller et al. est un exemple parfait. Ces chercheurs ont identifié une nouvelle espèce en médecine clinique grâce aux technologies de séquençage, suivies de bioinformatique analyse. La procédure a non seulement amélioré notre capacité à détecter les agents pathogènes émergents, mais a également affiné les relations taxonomiques. Elle pourrait également approfondir notre compréhension des mécanismes par lesquels les microbes induisent des maladies. Après avoir identifié les microbes, des quantités croissantes d'informations sont téléchargées dans des bases de données pertinentes comme NCBI, facilitant une analyse et une recherche approfondies sur la diversité microbienne environnementale. Ce développement continu propulse l'avancement de la microbiomique.

Figure 1. Rapport sur de nouvelles espèces utilisant des arbres phylogénétiques. (Reller et al., 2007)

Figure 2. Diagramme circulaire de la diversité microbienne. (Fykse et al., 2015)

Bioinformatique dans l'analyse de traçabilité microbienne

La relation phylogénétique des microorganismes est relativement complexe, il est donc difficile de réaliser l'analyse de traçage. Par analyse bioinformatiqueLes scientifiques peuvent facilement construire des arbres évolutifs et décrire les relations évolutives entre les espèces et les molécules, répondant ainsi à divers besoins dans les domaines de la pharmacie, du diagnostic, de l'industrie alimentaire, de la protection de l'environnement, etc.

Bioinformatique a des applications précieuses dans la traçabilité des origines. En séquençant l'ensemble du génome d'un microbe, des informations génétiques microbiennes plus complètes peuvent être obtenues, ce qui est crucial pour suivre la source et la variation du microbe. En analysant le génome entier d'une communauté microbienne, les interrelations et les fonctions entre divers microbes peuvent être révélées, offrant une compréhension plus approfondie pour la surveillance et la recherche sur les microbes. De plus, des modèles mathématiques peuvent être établis en utilisant bioinformatique méthodes pour prédire les itinéraires de dispersion et les comportements écologiques des microbes, offrant des informations précieuses pour le suivi et le contrôle des microbes.

Les relations phylogénétiques complexes des microbes sont un défi à démêler. Une application clé de bioinformatique Dans ce domaine, la construction d'arbres phylogénétiques pour représenter les relations évolutives entre espèces ou molécules est essentielle. Notamment, grâce à l'utilisation de méthodes de dépistage des virus au niveau moléculaire en août 2005, des scientifiques suédois ont découvert un nouveau bocavirus humain (HBoV) dans les sécrétions respiratoires d'enfants et ont réalisé le séquençage complet du génome de ce virus. En août 2006, le premier cas de HBoV a également été détecté en Chine. Ce virus, qui est difficile à différencier des autres virus respiratoires, a attiré l'attention de nombreux experts et chercheurs. Par exemple, Zhang et ses collègues ont utilisé l'analyse phylogénétique pour évaluer les communautés microbiennes dans le Daqu de saveur Fen chinois et évaluer les facteurs d'impact environnemental. Retracer les origines des microbes dans le Daqu contribue à articuler l'influence des microbes externes sur l'environnement microbien du Daqu, préservant ainsi sa stabilité.

Figure 3. Analyse de la traçabilité microbienne de NDaqu pour déterminer le taux de contribution des différentes sources. (Zhang et al., 2023)

La FDA a établi le Réseau de Séquençage du Génome Ouvert des États-Unis, composé de partenaires étatiques, fédéraux, internationaux et commerciaux. Le réseau GenomeTrakr représente le premier bouclier de surveillance génomique distribué pour caractériser et retracer les origines des agents pathogènes responsables des épidémies d'origine alimentaire. Le réseau GenomeTrakr mène des enquêtes et des actions réglementaires pour les épidémies de maladies d'origine alimentaire, facilitant des rappels de nourriture contaminée plus précis et rapides, et améliorant la surveillance des mesures de contrôle préventif dans les environnements de production alimentaire. Le réseau élargi contribuera à l'établissement d'un système international de surveillance rapide pour le suivi des agents pathogènes, crucial pour soutenir des réponses efficaces de santé publique face aux épidémies bactériennes.

Figure 4. Flux de données pour la base de données et le réseau GenomeTrakr. (Allard et al., 2016)

Bioinformatique dans la détection des gènes pathogènes

En réalisant une analyse d'homologie à l'échelle du génome, les micro-organismes pathogènes et leurs gènes de virulence peuvent être identifiés de manière efficace et extensive. Par exemple, grâce à l'établissement d'une base de données de codes-barres génomiques par séquençage à haut débit et bioinformatique Grâce à la technologie, l'annotation de données de séquences massives de génomes microbiens peut être réalisée, ce qui revêt une grande importance pratique pour la prévention, le diagnostic et le traitement des maladies.

Actuellement, le domaine de la microbiologie passe d'études sur des gènes individuels à des recherches impliquant plusieurs gènes ou même des interactions inter-génomiques, avec une spécificité croissante. La comparaison d'homologie des séquences génomiques entières permet d'identifier des antigènes spécifiques à divers niveaux, tels que le genre, le groupe, l'espèce, le type ou le sous-type de bactéries pathogènes. Les îlots de virulence, segments d'ADN exogène intégrés dans le génome bactérien, suscitent un intérêt particulier. Ces segments uniques se trouvent dans des souches bactériennes pathogènes qui confèrent une toxicité, mais sont absents dans les souches non pathogènes adjacentes.

En raison des caractéristiques inhérentes des microbes, bioinformatique a prouvé être essentiel pour faire progresser la recherche sur la composition des espèces, la population cellulaire et la fonction écologique de différents taxons microbiaux dans les environnements naturels. Il fournit également des orientations aux entreprises pharmaceutiques et à d'autres entités dans leur quête de développement et d'exploitation des ressources microbiennes, ainsi que dans l'isolement et le dépistage des souches. De plus, bioinformatique fournit des informations vitales concernant la composition, la distribution, la quantité et d'autres types de données liées aux populations microbiennes sous différentes conditions environnementales.

Bioinformatique dans le développement de nouveaux vaccins

Bioinformatique, depuis sa création, joue un rôle essentiel dans les avancées révolutionnaires de la recherche microbienne. Un exemple frappant se reflète dans le contexte du processus de développement de vaccins pour le Neisseria meningitidis Groupe B, la première instance où le séquençage génomique microbien a constitué la base d'un nouveau vaccin. Cette approche axée sur le génome entier s'est révélée être une stratégie efficace pour le développement d'un large éventail de vaccins contre les microorganismes pathogènes. Alors que le domaine de la génomique microbienne et bioinformatique continue d'évoluer, elle révolutionne le paysage de la recherche sur les vaccins. Dans le contexte contemporain de la découverte de nouveaux vaccins, le rôle de la bioinformatique s'étend de l'identification des cibles vaccinales à la prédiction de l'antigénicité, en passant par la conception et l'optimisation des vaccins. L'application de bioinformatique la technologie permet une accélération du processus de développement des vaccins, améliorant leurs marqueurs de sécurité et d'efficacité. Cela constitue un outil solide pour la prévention et la lutte contre les maladies infectieuses, annonçant une époque transformative dans la recherche microbienne.

De même, Ge et ses collègues ont réalisé une analyse du cadre de lecture ouvert (ORF) et une prédiction des protéines extracellulaires de Streptococcus sanguinis, l'une des nombreuses bactéries impliquées dans la formation de la plaque dentaire. Bien que généralement inoffensif pour les humains, ce bactérien peut potentiellement provoquer une endocardite infectieuse mortelle s'il pénètre dans la circulation sanguine. Leur bioinformatiqueL'analyse basée sur les données a permis d'identifier 43 candidats antigènes protéiques qui, après des expériences sur des modèles animaux et une purification par chromatographie d'affinité, ont abouti à 9 anticorps distincts. D'autres tests, y compris des essais d'antisérums, des essais immunoenzymatiques compétitifs et un tri cellulaire activé par fluorescence (FACS), ont montré une forte réactivité entre les anticorps purifiés et les neuf protéines ainsi que S. sanguinis, indiquant que ces protéines sont exposées à la surface de la bactérie. Les résultats de la recherche suggèrent que ces neuf protéines extracellulaires pourraient servir d'antigènes de référence pour le développement de nouveaux vaccins.

Bioinformatique dans la production de médicaments

Les microorganismes sont diversifiés tout comme leurs métabolites, ce qui offre une base pour le développement et la recherche de nouveaux médicaments. Par exemple, dans le domaine de la recherche sur les antibiotiques, bioinformatique est largement utilisé pour analyser les séquences de gènes microbiennes, développer des approches pour la synthèse microbienne et l'ingénierie des enzymes.

La myriade de diversité et les capacités métaboliques des microorganismes prospérant dans la nature propulsent le développement de nouvelles entités microbiennes. Dans le domaine des sciences de la vie, l'adoption d'agents microbiens innovants par le biais de techniques de biologie moléculaire peut offrir un soutien solide à la découverte de médicaments. La biosynthèse coordonnée, impliquant des voies orchestrées par une participation codée, exploite l'interchangeabilité entre les gènes d'enzymes, produisant des hybrides de gènes hétérozygotes dans l'étude des métabolites secondaires microbiens. Par conséquent, cela favorise la production de multiples composés naturels. De nombreux chercheurs se sont penchés sur des études génomiques utilisant des antibiotiques comme l'érythromycine pour explorer la synthèse d'organismes composites. À travers de telles études, des gènes clés impliqués dans la pathogénie ont été découverts, délimitant leurs rôles dans la synthèse de substances, la dégradation métabolique et les interactions avec les tissus hôtes. S'engager dans bioinformatique La recherche enrichit le répertoire des ressources d'information, dévoilant potentiellement de nouvelles cibles médicamenteuses et contribuant aux études d'antigénicité.

Figure 5. Analyse du résistome du premier bactérie résistante aux nanosilver utilisant des outils bioinformatiques pour identifier et combattre la résistance antimicrobienne. (Saeb et al., 2018)

En général, les caractéristiques de bioinformatique inclure la recherche (collecte et sélection de données), le traitement (édition, tri, gestion et présentation) et l'utilisation (calcul et simulation) des données biologiques. Les chercheurs peuvent utiliser des outils de bioinformatique matures (sites web spécialisés, logiciels), ainsi que des méthodes statistiques et les outils associés pour de nombreux domaines d'étude. Bioinformatique peut largement couvrir les besoins en matière d'alignement génétique, de détection et d'interprétation des gènes, de comparaison de structures, d'analyse phylogénétique, de prédiction de structures protéiques, et plus encore, ce qui facilite énormément la recherche en technologie microbienne.

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