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Usando la bioinformática para entender el universo microbiano difícil de cultivar

Valerie
June 30, 2020

Usando la bioinformática para entender el universo microbiano difícil de cultivar

Seminario Web Solaria biodata: Usando la Bioinformática para entender el universo microbiano difícil de cultivar
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https://www.youtube.com/watch?v=-nEbJPUeozs

Valerie

June 30, 2020
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  1. Research associate The University of Texas at Austin Marine Science

    Institute Usando la Bioinformática para entender el universo microbiano difícil de cultivar Dra. Valerie Y De Anda Torres valdeanda val_deanda [email protected] valdeanda
  2. o Licenciatura en Biología Facultad de Ciencias, UNAM (2008-2012) o

    Doctorado en Ciencias Instituto de Ecología, UNAM (2013-2018) o Postdoctorado The University of Texas Marine Science Institute (2018-2020) o Investigadora The University of Texas Marine Science Institute (2020-)
  3. Contenido ❏ ¿Qué es el universo microbiano ? ❏ ¿Cómo

    la era genómica ha cambiado la perspectiva del universo microbiano? ❏ Bioinformática y biología computacional ❏ Descubriendo nuevas ramas en el árbol de la vida en ambientes extremos ❏ Perspectivas
  4. 1021 estrellas en el universo observable 1030 microorganismos procariontes (bacteria

    y arqueas) 1031 virus Flemming and Wuertz 2019 Nat Rev Copley, J. All at sea. Nature Microbiology by numbers. Nat Rev Microbiol (2011). ¿Existen más microorganismos en el planeta que estrellas en el universo?
  5. 1021 estrellas en el universo observable 1030 microorganismos (bacteria y

    arqueas) 1031 virus Flemming and Wuertz 2019 Nat Rev Copley, J. All at sea. Nature Microbiology by numbers. Nat Rev Microbiol (2011). @NatureRevMicro #microbiologybynumbers
  6. Appanna V.D. (2018) The Human Microbiome: The Origin. In: Human

    Microbes - The Power Within. Springer, Singapore 1030 1021 @NatureRevMicro #microbiologybynumbers 1030 1021 1Kg de microorganismos en el cuerpo humano Bianconni et al., 2013: ~37 trillones de células humanas Gilbert et al., 2018: ~ Doble células bacterianas
  7. Locey and Lennon PNAS 2016 ~7.8 billones de seres humanos

    Universo Microbiano ~1030 microorganismos ~1012 “especies” de microorganismos 1 especie ∼1,400 especies conocidas de patógenos humanos (incluídos virus, bacterias, hongos, protozoos y helmintos) <1% diversidad microbiana
  8. Los microorganismos no solo son la forma de vida más

    abundante y diversa en el planeta… Judson Nat Ecol Ev 2017 De Anda et al., 2018 Frontiers De Anda et al., 2018 Springer § Primeros habitantes en el planeta § Oxigenaron la atmósfera primitiva § Dieron lugar a organismos multicelulares § Han modificado (y continúan haciéndolo) la biogeoquímica del planeta § Son la base fundamental de cualquier ecosistema (incluyendo los seres vivos) § Llevan a cabo los ciclos biogeoquímicos (C,N,O,S) § Son los primeros en responder a perturbaciones ambientales § Cruciales para entender cambio climático global Brock Biology of Microorganisms (2015)
  9. Cavicchioli et al., 2019 Los microorganismos no solo son la

    forma de vida más abundante y diversa en el planeta… “Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change” Cavicchioli et al., 2019 Nature Steen et al., 2019 ISME Lloyd et al., 2018 mBio
  10. Un universo microbiano prácticamente desconocido § Requisitos de crecimiento desconocidos

    § Crecimiento lento § Complejidad ambiental § Interacciones bióticas desconocidas 99 9% no es cultivable Universo Microbiano ~1030 microorganismos ¿Por qué es difícil cultivarlos? Cavicchioli et al., 2019 Nature Steen et al., 2019 ISME Lloyd et al., 2018 mBio
  11. Términos utilizados para describir el universo microbiano difícil de cultivar

    Hofer, U 2018 Nature Rev Microbiol. Dance 2020 Nature http://merenlab.org/2017/06/22/microbial-dark-matter/ Trembray et al., 2015 Frontiers
  12. Importancia de la PCR Grand Prismatic Spring at Yellowstone National

    Park. Kary Mullis: Polymerase chain reaction (PCR) Multiples copias de un fragmento específico del DNA https://www.youtube.com/watch?v=6HG7JJjFfMU 1969 1984 2020
  13. Contenido ❏ ¿Qué es el universo microbiano ? ❏ ¿Cómo

    la era genómica ha cambiado la perspectiva del universo microbiano? ❏ Bioinformática y biología computacional ❏ Descubriendo nuevas ramas en el árbol de la vida en ambientes extremos ❏ Perspectivas
  14. -1995 : H. influenzae becomes the first bacterium genome to

    be sequenced T G A T G A T G A T G A T G A T G A T T A A G T G A T G A T A T G A T -2000: Genome sequence of model organism fruit fly -2003: Mouse becomes first mammal with sequenced genome -2005: Human Genome Project completion announced -2005: First NGS machine allowing sequencing DNA from environmental samples -2008 Human Microbiome -2015 Ocean Microbiome -2015: MAGs -2016: Updated tree of life https://unlockinglifescode.org/timeline Breakthrough moments Genomic Era -1995: .H influenzae becomes the first bacterium genome to be sequenced T G A T G A T G A T A T T A A G T G A T G A T A T G A T T G A T G A T G A T A T T A A G T G A T G A T A T G
  15. Eukaryotes Archaea E u kario n t e s :

    9 m illo n e s d e e s p e c ie s Pro c ario n t e s : 1012 especies (Trillones) Bacteria https://www.evogeneao.com/explore/tree-of-life-explorer Árbol de la vida
  16. Candidate Phyla Radiation Eukaryotes Archaea Hug , Baker B et

    al., 2016 Nature Bacteria Eukaryotes 15% de toda la diversidad bacteriana y que potencialmente contiene más de 70 phyla diferentes The unseen majority Árbol de la vida más reciente
  17. Satoh et al., 2014 Proc. R. Soc Gran diversidad dentro

    de un phylum 70 phyla bacterianos
  18. Baker, De Anda et al., 2020. Nature Review Microbiology Diversidad

    ‘Lokiarchaea’, previously known only from DNA, is isolated and grown in culture. Imachi et al., 2020 Nature http://www.ettemalab.org/thijs-ettema/
  19. Potencial ecológico Baker, De Anda et al., 2020. Nature Review

    Microbiology Se ha estimado que la mitad de las células microbianas en los océanos del mundo habitan en sedimentos marinos. 1 billon de toneladas de carbono en forma de metano
  20. Contenido ❏ ¿Qué es el universo microbiano ? ❏ ¿Como

    la era genómica ha cambiado la perspectiva del universo microbiano? ❏ Bioinformática y biología computacional ❏ Descubriendo nuevas ramas en el árbol de la vida en ambientes extremos ❏ Perspectivas
  21. Dick G 2019 Genómica y Metagenómica Una célula Comunidades enteras

    Genómica Transcriptómica Proteómica Metagenómica Metatranscriptómica Metaproteomica
  22. Interpretación biológica Procesamiento de datos Obtención de la muestra ($45,000

    USD) Secuenciar ($3,000 p/muestra USD) Retos importantes en estudios OMICOS Evaluar, comparar y analizar datos complejos a gran escala Se require alto poder de cómputo alto rendimiento, precisión, velocidad, reproducibilidad Publicación $2500, $5000 publicación en revistas científicas 2-5 años
  23. Microbial ecology- derived ‘omic’ studies What do we need to

    improve efficiency of data processing? Biological data interpretation (evaluate, compare and analyze complex data in a large scale) Computationally efficiency: (high performance, accuracy, high speed, data processing, reproducibility) » Most abundant » Marker genes Omic data » Differentially features De Anda et al., 2017 GigaScience Desarrollo de un algoritmo computacional para predecir metabolismos complejos a gran escala
  24. Assembly MEBS Protein coding genes (pcg) prediction Visualization Entropy-based scores

    Genomes, metagenomes MAGs MEBS computational workflow MEBS Multigenomic Entropy Based Score perl mebs.pl –input faa_directory/ -type genomic –comp –fdr 0.001 > output.tab python3 mebs_vis.py output.tab De Anda et al., 2017 GigaScience https://github.com/valdeanda/mebs
  25. Dra. Icoquih Zapata Peñasco Instituto Mexicano del Petróleo 1. Caso

    de estudio: conceptualizar el ciclo del azufre a escala global ¿Cómo se generó MEBS? De Anda et al., 2017 GigaScience
  26. Dr. Bruno Contreras CSIC, Aula Dei Zaragoza España 2017 Laboratorio

    de Biología computacional y estructura 2. Generación del algoritmo -Bash, perl, python ¿Cómo se generó MEBS?
  27. 2. Generación del algoritmo -Bash, perl, python ¿Cómo se generó

    MEBS? Dr. Bruno Contreras CSIC, Aula Dei Zaragoza España 2017 Laboratorio de Biología computacional y estructura
  28. 2. Generación del algoritmo -Bash, perl, python ¿Cómo se generó

    MEBS? Dr. Bruno Contreras CSIC, Aula Dei Zaragoza España 2017 Laboratorio de Biología computacional y estructura
  29. Dr. Cesar Augusto Poot Hernández Unidad de bioinformática Y manejo

    de la información Instituto de Fisiología Celular UNAM 2. Visualización -Python ¿Cómo se generó MEBS?
  30. 2. Visualización -Python ¿Cómo se generó MEBS? Dr. Cesar Augusto

    Poot Hernández Unidad de bioinformática Y manejo de la información Instituto de Fisiología Celular UNAM
  31. NetAn: Network Analyzer https://github.com/valdeanda/NetAn De Anda et al.,2018 Frontiers in

    Microbiology Dra. Maribel Hdz Rosales Dpto Ingeniería Genética CINVESTAV, Irapuato México
  32. Contenido ❏ ¿Qué es el universo microbiano ? ❏ ¿Como

    la era genómica ha cambiado la perspectiva del universo microbiano? ❏ Bioinformática y biología computacional ❏ Descubriendo nuevas ramas en el árbol de la vida en ambientes extremos ❏ Perspectivas
  33. Merino N et al., 2019 Frontiers Ambientes Extremos Donato Giovanelli

    Temperatura, pH, presión, radiación, salinidad, energía y limitación de nutrientes.
  34. De Anda et al., Nature Review Microbiology In Review Definiendo

    un Nuevo Phylum de arqueas: Brockarchaeota 15 Metagenome reconstructed genomes (MAGs)
  35. De Anda et al., Nature Review Microbiology In Review Definiendo

    un Nuevo Phylum de arqueas: Brockarchaeota TACK superphylum
  36. De Anda et al., Nature Review Microbiology In Review Definiendo

    un Nuevo Phylum de arqueas: Brockarchaeota Potencial de degradar compuestos de carbono complejos
  37. De Anda et al., Nature Review Microbiology In Review Definiendo

    un Nuevo Phylum de arqueas: Brockarchaeota
  38. Definiendo un Nuevo Phylum de arqueas: Brockarchaeota, potencial ecológico De

    Anda et al., Nature Review Microbiology In Review
  39. peika95 Peika10 Peika Baker Marine Microbial Ecology Lab bakermicrolab archaeal

    http://sites.utexas.edu/baker-lab/ Brenda Ortiz, ilustradora
  40. ~ 4 TB datos crudos: 4 sitios 16 muestras (~300

    Gb por muestra) ~ 3000 MAGs + 551 MAGs Dowmbroski et al., 2018 Woodcroft et al Nature 2018 Emerson et al., Nat Micro 2018 Tsagaraki et al., 2918 Degradación de materia orgánica Permafrost en Suecia 214 muestras 1529 MAGs Permafrost: Cambio climático 2540 MAGs 47 Nuevos linajes a nivel de Phylum Análisis detallado de la interacción de los ciclos biogeoquímicos a nivel de genomas Proyecto sedimentos marinos Guaymas De Anda et al., In Progres Anantharaman, K. et al., 2016 Nature commun Acuíferos Sitios contaminados
  41. Taylorbacteria Fusobacteria TM 6 (D ependentiae) Schekmanbacteria Nealson-/Staskaw icz-/W ilderm

    uthbacteria Azam-and Yanofsky-bacteria Omnitrophica Chlorobi Uhrbacteria Kuenenbacteria Sungbacteria Riflebacteria M oranbacteria loacim onetes Ryanbacteria Jorgensenbacteria Doudnabacteria io annonibacteria tribacteria oatesbacteria e ybacteria S Roizmanbacteria ambryskibacteria acteroidetes Marinimicrobia Dictyolomi erophobetes lusimicrobia Thermoto ae ctinobacteria Tenericutes loydbacteria Curtissbacteria dro enedentes hloro e i ipolaricaulota er eldbacteria iritim atiellaeota emmatimonadetes oykebacteria acebacteria minicenantes WO - and T 6 lassbacteria Adler- Kaiserbacteria na ibacteriae Firmicutes W S- ( remiobacteraeota) Delphibacteria S ner istetes Nomurabacteria Falkowbacteria Spirochaetes oribacteria b ssubacteria Woesebacteria erkelbacteria Kom eilibacteria uchananbacteria Co rotherm obacterota Shapirobacteria ottesbacteria indo bacteria azan entisphaerae roteobacteria Amesbacteria Rokubacteria arrison-and i ton-bacteria atescibacteria Kry tonia ortno bacteria errucom icrobia Cam bellbacteria Azambacteria isenbacteria Do kabacteria Nitrospinae Saccharibacteria alditrichaeota olfebacteria Fermentibacteria lackburnbacteria ere rinibacteria agasanikbacteria eck ithbacteria e iribacteria S echtbacteria lanctom cetes Fibrobacteres hlam diae Tagabacteria i ibacteria Chisholmbacteria Archaea ui cae Sumerlaeota cidobacteria allbacteria acksonbacteria C R aldiserica Yonathbacteria Nitrospirae W W Treescale Nuevas ramas en el árbol de la vida Papel ecológico 12 phyla bacterianos Metabolismo Deltaproteobacteria Interacciones Virus- Procariontes CP9 Asgard Análisis integral degradación de carbono Gong et al. Langwig et al. Rambo et al. Carlton, Vazquez et al Appler et al. De Anda et al.
  42. Zipacnabacteria http://www.mithrakrishnan.com/zipacna Carlton et al., In Prep PoPol Vuh: Zipacná

    era en la mitología maya hijo de Vucub Caquix -Siete Guacamayo- y Chimalmat-. El que mueve montanas
  43. Sakaguchi, Arakaki and Matsunaga, 2002 Tan et al., 2019 Una

    vista actualizada de la clase Deltaproteobacteria <20 sequences <100 sequences >4000 Complete genomes and MAGs Langwig M, et al. In progres ~ 400 genomas nuevos Incremento 28% de la diversidad dentro del grupo 12 linajes nuevos sin representantes cultivados Nuevos roles ecológicos
  44. Contenido ❏ ¿Qué es el universo microbiano ? ❏ Cómo

    la era genómica ha cambiado la perspectiva del universo microbiano ❏ Bioinformática y biología computacional ❏ Descubriendo nuevas ramas en el árbol de la vida en ambientes extremos ❏ Perspectivas
  45. Perspectivas Hatzenpichler et al., 2020 Nat Rev Microbio Roland Hatzenpichler

    Assistant Professor Montana State University http://www.environmental-microbiology.com/ @environmicrobio Fisiología de Nueva generación “La fisiología, el funcionamiento de una célula en un momento dado y en un conjunto dado de condiciones fisioquímicas, es una propiedad emergente que no puede predecirse de manera confiable solo a partir de datos genómicos o reconstrucciones metabólicas”. Genotipo >Fenotipo Fenotipo> Genotipo Son métodos independientes de la necesidad de conocimiento previo sobre la composición genética de una comunidad microbiana y se centran en la función celular. Fisiología de Nueva generación
  46. Mensajes importantes ü Los microorganismos son la forma de vida

    más abundante y diversa en nuestro planeta. ü Permiten el desarrollo de formas de vida multicelular incluyendo los seres humanos. ü Mediadores para entender el cambio climático, evolución de la vida en la tierra y funcionamiento de la biogeoquímica planetaria. ü La era genómica ha llevado a una visión más completa de la diversidad de la vida en la Tierra. El desarrollo de algoritmos computacionales es clave para probar hipótesis biológicas a gran escala. ü El árbol de la vida está lleno de ramas que permanecen sin descubrir, muchas de ellas nos pueden dar la respuesta de a enfermedades, cambio climático y potencial biotecnológico.
  47. Marine Science Institute Port Aransas Texas, USA Baker Marine Microbial

    Ecology Lab Understanding the physiologies of uncultured marine sediment microbes using high-throughput genomic techniques