Badanie DNA mikroorganizmów: Sztuczna inteligencja pomaga monitorować środowisko

Prof. Dr. Thorsten Stoeck (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Mikroorganizmy odgrywają kluczową rolę w ekosystemach: szybko wskazują, gdy w ich otoczeniu dochodzi do zmian. Jednak ze względu na trudności w ich identyfikacji, dotychczas odgrywały one drugorzędną rolę w monitorowaniu środowiska. Wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu w Genewie, biolog z Kaiserslautern, profesor dr Thorsten Stoeck, opracował nową technikę wykorzystującą genom mikroorganizmów. Za pomocą sztucznej inteligencji algorytm może wykorzystać materiał genetyczny nieznanych organizmów, aby ocenić stan środowiska. Praca ta ukazała się w renomowanym czasopiśmie naukowym „Trends in Microbiology”.

Zbyt duża ilość azotanu w naszych wodach lub zakwaszanie oceanów, które szkodzi na przykład rafom koralowym, to tylko dwa przykłady pokazujące, jak człowiek zmienia środowisko. Aby jak najwcześniej przeciwdziałać szkodom, ważne jest monitorowanie stanu ekosystemów. „Mikroorganizmy nadają się na wskaźniki, ponieważ bardzo czułe reagują na takie zmiany”, mówi profesor dr Thorsten Stoeck, który bada ekologię na TUK. Dotychczas identyfikacja ich wymagała czasu i specjalistycznej wiedzy.

W ubiegłym roku Stoeck wraz ze swoimi kolegami z Genewy opracowali metodę, która pozwala łatwiej kontrolować jakość wody w pobliżu norweskich i szkockich farm łososiowych. „Stosujemy sekwencje DNA mikroorganizmów”, wyjaśnia Stoeck. „Ich materiał genetyczny jest jak odcisk palca, który można przypisać tylko jednej osobie. Wyniki są dostępne już po krótkim czasie.” Biolodzy tworzą bazę danych, w której przechowują odciski genetyczne tych organizmów.

Jednak naukowcy, analizując próbki, nadal mają sekwencje DNA, które nie dają się przypisać żadnemu znanemu dotąd gatunkowi. „Nie wiemy jeszcze, jaka jest ich rola w ekosystemie. Dlatego trudno było je wykorzystywać jako wskaźniki”, mówi profesor Stoeck.

Ze zespołem Tristana Cordiera, głównego autora obecnego badania, oraz profesorem Janem Pawlowskim z Uniwersytetu w Genewie, Stoeck opracował algorytm, który uczy się dzięki sztucznej inteligencji. Aby zasilić proces obliczeniowy informacjami, biolodzy użyli próbek DNA od różnych znanych mikroorganizmów. „Znamy ich role w ekosystemie i wiemy, czy służą raczej jako wskaźniki dobrego czy złego stanu”, dodaje Stoeck. Na podstawie tych danych naukowcy stworzyli system referencyjny. „Dzięki temu algorytm opracował model predykcyjny, do którego włączono również dane sekwencyjne nieznanych mikroorganizmów.”

„Metoda ta pozwala nam monitorować ekosystem bez konieczności wcześniejszej identyfikacji występujących tam gatunków mikroorganizmów”, podsumowuje Stoeck wyniki. Ponadto technika umożliwia wykrywanie nowych gatunków. Stopniowo naukowcy będą również wprowadzać dane z nowych próbek, aby udoskonalać i coraz precyzyjniej modelować system.

Badanie ukazało się w czasopiśmie „Trends in Microbiology”: „Embracing Environmental Genomics and Machine Learning for Routine Biomonitoring”.