Mikrobióm bioinformatika: Komplex bakteriális közösségek számítógépes analizise és modellezése  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
120650
típus K
Vezető kutató Pongor Sándor
magyar cím Mikrobióm bioinformatika: Komplex bakteriális közösségek számítógépes analizise és modellezése
Angol cím Mikrobiom bioinformatics: Computational analysis of complex bacterial communities
magyar kulcsszavak bioinformatika, mikrobióm, bakteriális közösségek, quorum sensing
angol kulcsszavak bioinformatics, microbiome, bacterial communities, quorum sensing
megadott besorolás
Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)100 %
zsűri Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely Információs Technológiai és Bionikai Kar (Pázmány Péter Katolikus Egyetem)
résztvevők Győrffy Balázs
Juhász János
Ligeti Balázs
Nagy Zoltán
Szabó Dóra
Szolgay Péter
projekt kezdete 2016-10-01
projekt vége 2021-03-31
aktuális összeg (MFt) 32.392
FTE (kutatóév egyenérték) 8.03
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A mikrobiómok vagy mikrobióták (vagyis az emberi, állati- és növényi szervezeteket lakó microbák) nem véletlenszerű együttesek, hanem komplex közösségek, melyek a gazdaszervezetek betegségeiben és betegség-rezisztenciájában egyaránt szerepet játszanak. Tanulmányozásuk az újgenerációs szekvenálás (NGS) és egyéb nagyáteresztésű technikák révén lehetéséges, az eredmények értelmezése még kezdeti fázisban van. Az elmúlt években kifejlesztettünk bioinformatikai eszközöket, melyekkel a nyers adatokat feldolgozhatjuk, csoportosíthatjuk és adatbázisokkal való össehasonlítás útján valúszínű funkciókat megjósoljuk.
Célunk a mikrobiomok kommunikációs potenciáljának jobb megismerésére. Fel fogjuk mérni minimum 15 quorum sensing kommunikációs rendszer génjeit az ismert genomókban, és új bioinformatikai eszközöket készülünk létrehozni, amelyekkel az adatbázisok információtartalma tovább növelhető, igy az újj adatbányászati stratégiák révén javulhat a kisérleti munka tervezhetősége is. Tekintettel az adatok mennyiségére, progrmjainkat a a PPKE kutatóival kollaborációban, nagysebességű GPU architektúrával segítségével fogjuk optimalizálni, így az analízis tetszőleges genre, operonra vagy géncsaládra automatikusan alkalmazható lesz.
A kidolgozott programokat “Open Source GNU Public Licence” alapján a sourceforge.net-en fogjuk publikálni. A kidolgozott adatbázisokat szabadon hozzáférhetővé tesszük az Interneten.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A mikrobiómok adatainak értelmezése alapvető az élettudományok, például az orvosi környezeti és ipari kutatások területén. Olyan módszerekre van szükség, melyek révén az egészséges és beteg (diszbiózisos) mikrobiómok megkülönböztethetők, bennük a patogén baktériumok jól detektálhatók. Mindehhez a bakteriális adatbázisok információtartalmának növelésére és új, nagyteljesítményű számítógépes megoldásokra van szükség. Ennek érdekében 2 kérdéscsoportot vizsgálunk:
WP1 Rendszeresen feltérképezzük és web-en kerestethető adatbázisba rendezzük a baktériumok mintegy 15 quorum sensing jelzőrendszerének génjeit.
WP2 Nagyteljesítményű, hardver-megoldásokkal gyorsított munkameneteket dolgozunk ki baktériumközösségek quorum sensing jelzőrendszer-repertoárjának gyors és megbízható felmérésére, újszerű, részben unikális markereken alapuló újszerű adatbázisok felhasználásával.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Napjainkban a mikrobiómok kutatása a biológiai alpkutatás egyik leglátványosabban fejlődő területe, ugyanakkor a mikrobiómok kommunikációs rendszereinek megértése még kezdeti stádiumban van. Eredményeink révén leegyszerűsödik a mikrobiómok kommunikációjának metagenomikai adatokból történő megértése és értelmezése, igy azok diagnosztikai és terápia-fejlesztési alkalmazása is reális céllá válhat. Ez hozzájárulhat a diagnózis és a terápiák fejlesztéséhez,. .Ez a módszer tetszőleges genre, operonra, géncsaládra szemiautomatikusan kiterjeszthető

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A baktériumok gyakran stabilis közösségeket formálnak, amelyben a fajok egymással, a gazdaszervezettel és a környezettel bonyolult kapcsolatokban állnak. A gyors DNS-szekvenálás ma már lehetővé teszi, hogy a microbiális közösségekben lévő genomokat megismerjük. Igy választ kaphatunk olyan kérdésekre, hogy milyen hasznos vagy káros mikrobák vannak jelen egy vizsgált közösségben.

A bioinformatikai eszközök ma már lehetővé teszik,hogy a mikrobiális közösségek összetételét, és kommunikációs képességeiket megismerjük, de még nagyon sok munka van előttünk, hogy a közösségek működését megismerhessük. Különösen a gének, és termékeik, pl. a jelanyagyok és kölcsönhatásaik megismerése fontos új feladat. Ezeket az eredményeket sok új területen, pl a bertegségek gyógyításában vagy a szennyezett környezet szanálásában is alkalmazni lehet.

Célunk olyan új és hatékony bioinformatikai módszerek kifejlesztése, amelyek az új nagyteljesítményű számitógép architektúrákon is futtathatók, és amelyekkel a baktériumközösségek összetételét, és az őket alkotó szervezetek kommunikációs kölcsönhatásait jobban meg tudjuk ismerni. Ezeket a módszereket a bakteriális kommunkiáció génjein fogjuk kipróbálni.

A kifejlesztett programokat, adatbázisokat a tudományos közösség számára ingyenes, Open Source formában fogjuk publikálni
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
A mikrobiómok vagy mikrobióták (vagyis az emberi, állati- és növényi szervezeteket lakó microbák) nem véletlenszerű együttesek, hanem komplex közösségek, melyek a gazdaszervezetek betegségeiben és betegség-rezisztenciájában egyaránt szerepet játszanak. Tanulmányozásuk az újgenerációs szekvenálás (NGS) és egyéb nagyáteresztésű technikák révén lehetéséges, az eredmények értelmezése még kezdeti fázisban van. Az elmúlt években kifejlesztettünk bioinformatikai eszközöket, melyekkel a nyers adatokat feldolgozhatjuk, csoportosíthatjuk és adatbázisokkal való össehasonlítás útján valúszínű funkciókat megjósoljuk.
Célunk a mikrobiomok kommunikációs potenciáljának jobb megismerésére. Fel fogjuk mérni minimum 15 quorum sensing kommunikációs rendszer génjeit az ismert genomókban, és új bioinformatikai eszközöket készülünk létrehozni, amelyekkel az adatbázisok információtartalma tovább növelhető, igy az újj adatbányászati stratégiák révén javulhat a kisérleti munka tervezhetősége is. Tekintettel az adatok mennyiségére, progrmjainkat a a PPKE kutatóival kollaborációban, nagysebességű GPU architektúrával segítségével fogjuk optimalizálni, így az analízis tetszőleges genre, operonra vagy géncsaládra automatikusan alkalmazható lesz.
A kidolgozott programokat “Open Source GNU Public Licence” alapján a sourceforge.net-en fogjuk publikálni. A kidolgozott adatbázisokat szabadon hozzáférhetővé tesszük az Interneten.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
A mikrobiómok adatainak értelmezése alapvető az élettudományok, például az orvosi környezeti és ipari kutatások területén. Olyan módszerekre van szükség, melyek révén az egészséges és beteg (diszbiózisos) mikrobiómok megkülönböztethetők, bennük a patogén baktériumok jól detektálhatók. Mindehhez a bakteriális adatbázisok információtartalmának növelésére és új, nagyteljesítményű számítógépes megoldásokra van szükség. Ennek érdekében 2 kérdéscsoportot vizsgálunk:
WP1 Rendszeresen feltérképezzük és web-en kerestethető adatbázisba rendezzük a baktériumok mintegy 15 quorum sensing jelzőrendszerének génjeit.
WP2 Nagyteljesítményű, hardver-megoldásokkal gyorsított munkameneteket dolgozunk ki baktériumközösségek quorum sensing jelzőrendszer-repertoárjának gyors és megbízható felmérésére, újszerű, részben unikális markereken alapuló újszerű adatbázisok felhasználásával.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Microbiome research is one of the most visible areas of biological research, at the same time understanding the role of communication in microbiomes is only at their beginnings. Our results will simplify the analysis and interpretation of communication in microbiome/metagenome data, which will hopefully facilitate their use in diagnosis as well as in the design of new therapies. This method can be semi-automatically applied to any gene, operon or gene family.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Bacteria live in relatively stable communities and can interact with each other and their environment and hosts in many ways. Since the advent of high-throughput DNA sequencing techniques, it is possible to characterize the genomes of the organisms participating in microbial communities. Many questions can be answered this way, including the question which beneficial or detrimental organisms are part of a particular community.

Bioinformatics tools can help to understand the signalling repertoire of microbial communities and their biological potential, still much work is needed to improve their usefulness for the characterization of microbial communities. Especially the interplay of genes and their products in entire communities is still a new and emerging research area. Insights gained could be applied in many areas, from new treatments of diseases to environmental remediation.

We propose to use novel, powerful computer architectures in order to develop new and effective bioinformatics tools that will provide a better insight into the signalling repertoire of microbial communities and the interplay of the organisms within such communities. We will demonstrate the tools on the analysis of bacterial communication genes.

We plan to make our tools and databasesavailable as Open Source, free of charge to the entire scientific community.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A bakteriális komplex közösségek, mikrobiomok, mikrobióták közösségére jellemző komplex viselkedési mintázatok kialakításában a quorum sensing rendszerek, mint a sejt-sejt kommunikáció és kooperáció egyik meghatározó mechanizmusai, kulcsszerepet játszanak. A kutatás célja a bakteriális közösségek quorum sensing rendszereinek feltérképezése és a bakterális közösségek bioinformatikai vizsgálata volt. Ennek keretében létrehoztunk egy a QS rendszerek detektálására és leírására használható eszközt manuálisan létrehozott HMM profilrendszerek segítségével (QS-Finder), amely automatikusan elvégzi a metagenomikai mintákban ezen rendszerek detekcióját és rendszerezését. A rendszer a https://pongor2.itk.ppke.hu/qs-finder URL-en érhető el. A rendszer a horizontális skálázást kihasználva képes a napjainkban tapasztalt genomikai adatnövekedéssel is lépést tartani. Továbbá elvégeztük 17 QS rendszer leírását, feltérképezését és rendszerezését, ami szintén publikusan elérhető (https://pongor2.itk.ppke.hu/qs-survey).
kutatási eredmények (angolul)
Quorum sensing systems are one of the most well known mechanisms of cell-cell communication and cooperation that play a crucial role in bacterial community formation and complex bacterial behavioral patterns. The aim of the research project was to systematically survey and describe these quorum sensing systems and develop novel bioinformatics tools. As part of this, we created a tool (QS-finder) for detecting and describing QS systems using manually created HMM profile systems. QS-finder automatically detects and clusters these systems in metagenomic samples. The tool is available under URL https://pongor2.itk.ppke.hu/qs-finder. The pipeline is capable of scaling with the continuously increasing size of genomic data by using the horizontal scaling and taking advantage of modern cpu gpu multicore architectures. We create a dedicated database for 17 QS systems, which are also publicly available https://pongor2.itk.ppke.hu/qs-survey).
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=120650
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Ádám Nagy, Balázs Ligeti, János Szebeni, Sándor Pongor, Balázs Győrffy: COVIDOUTCOME – Estimating COVID Severity Based on Mutation Signatures in the SARS-CoV-2 Genome, DATABASE-JOURNAL OF BIOLOGICAL DATABASES AND CURATION, 2021
Juhász János, Ligeti Balázs, Gajdács Márió, Makra Nóra, Ostorházi Eszter, Farkas Ferenc Balázs, Stercz Balázs, Tóth Ákos, Domokos Judit, Pongor Sándor, Szabó Dóra: Colonization Dynamics of Multidrug-Resistant Klebsiella pneumoniae Are Dictated by Microbiota-Cluster Group Behavior over Individual Antibiotic Susceptibility: A Metataxonomic Analysis, ANTIBIOTICS 10: (3) 268, 2021
Moreno-Indias Isabel, Lahti Leo, Nedyalkova Miroslava, Elbere Ilze, Roshchupkin Gennady, Adilovic Muhamed, Aydemir Onder, Bakir-Gungor Burcu, Santa Pau Enrique Carrillo-de, D’Elia Domenica, Desai Mahesh S., Falquet Laurent, Gundogdu Aycan, Hron Karel, Klammsteiner Thomas, Lopes Marta B., Marcos-Zambrano Laura Judith, Marques Cláudia, Mason Michael, May Patrick, Pašić Lejla, Pio Gianvito, Pongor Sándor, Promponas Vasilis J., Przymus Piotr, Saez-Rodriguez Julio, Sampri Alexia, Shigdel Rajesh, Stres Blaz, Suharoschi Ramona, Truu Jaak, Truică Ciprian-Octavian, Vilne Baiba, Vlachakis Dimitrios, Yilmaz Ercument, Zeller Georg, Zomer Aldert L., Gómez-Cabrero David, Claesson Marcus J.: Statistical and Machine Learning Techniques in Human Microbiome Studies: Contemporary Challenges and Solutions, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 12: p. 1., 2021
Nagy Á., Pongor S., Győrffy B.: Different mutations in SARS-CoV-2 associate with severe and mild outcome, INTERNATIONAL JOURNAL OF ANTIMICROBIAL AGENTS 57: (2) 106272, 2021
Stercz B, Farkas B. Ferenc, Tóth Á, Gajdács M, Domokos J, Horváth V, Ostorházi E, Makra N, Kocsis B, Juhász J, Ligeti B, Pongor S, Szabó D: The influence of antibiotics on transitory resistome during gut colonization with CTX-M-15 and OXA-162 producing Klebsiella pneumoniae ST15, SCIENTIFIC REPORTS 11: 6335, 2021
Juhász János, Gáspári Zoltán, Pongor Sándor: Structure and Oxidative Folding of AAI, the Major Alfa-Amylase Inhibitor From Amaranth Seeds, FRONTIERS IN CHEMISTRY 8: p. 180., 2020
Juhász János, Sándor Pongor, Balázs Ligeti: Toward a Systematic Genomic Survey of Bacterial Quorum Sensing Genes, In: V., Ravishankar Rai; Jamuna, A Bai (szerk.) Trends in Quorum Sensing and Quorum Quenching, CRC Press - Taylor and Francis Group (2020) p. 31., 2020
Regina Kalcsevszki, János Juhász, Sándor Pongor, Balázs Ligeti: Biomarkers for Colorectal Carcinoma Prediction from Compositional Microbiome Data, , 2020
Abraham Dora, Feher Janos, Scuderi Gian Luca, Szabo Dora, Dobolyi Árpád, Cservenak Melinda, Juhasz Janos, Ligeti Balazs, Pongor Sandor, Gomez-Cabrera Mari Carmen, Vina Jose, Higuchi Mitsuru, Suzuki Katsuhiro, Boldogh Istvan, Radak Zsolt: Exercise and probiotics attenuate the development of Alzheimer's disease in transgenic mice: Role of microbiome, EXPERIMENTAL GERONTOLOGY 115: pp. 122-131., 2019
Balázs Ligeti, Éva M. Kistóth, Regina Kalcsevszki, Bálint. S. Stellek, János Juhász, Sándor Pongor: Fast and sensitive detection of pathogens from high throughput sequencing data, In: Buday, László; Erdélyi, Miklós; Kovács, Mihály; Mihály, József; Varga, Máté; Virág, László; Hohol, Róbert (szerk.) Porgramme and Books of abstracts - Hungarian Molecular Life Sciences 2019, Diamond Congress Kft. (2019) pp. 91-92., 2019
Balázs Ligeti, Hőnich Ágnes Kata, János Juhász, Sándor Pongor: Surveying bacteriophages of the human gut, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (1) p. 79., 2019
János Juhász, Balázs Ligeti, Sándor Pongor: Modelling genomic and metabolic responses of microbial communities to antibiotics, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (1) pp. 77-78., 2019
János Juhász, Éva Mercédesz Kistóth, Zoltán Nagy, Péter Szolgay, Sándor Pongor, Balázs Ligeti: Towards a systematic census of bacterial quorum sensing genes in public databases, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (1) pp. 72-74., 2019
Kalcsevszki Regina, Juhász János, Pongor Sándor, Ligeti Balázs: Quest for Biomarkers in Microbiome Data, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (4) pp. 84-84., 2019
Kalcsevszki Regina, Juhász János, Pongor Sándor, Ligeti Balázs: Quest for Biomarkers in Microbiome Data, , 2019
Kistóth Mercédesz, Juhász János, Nagy Zoltán, Szolgay Péter, Pongor Sándor, Ligeti Balázs: Identifying ComQXPA bacterial quorum sensing system candidates in reference sequence databases using Hidden Markov Models, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (4) pp. 88-88., 2019
Ligeti Balázs, Juhász János, Kistóth Mercédesz, Pongor Sándor: Exploring the quorum sensing systems in bacterial genomes, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (4) pp. 70-72., 2019
Ligeti Balázs, Menyhárt Otilia, Juhász János, Pongor Sándor, Győrffy Balázs: Network-based prediction of drug-combination efficiency based on expression data on off target genes, JEDLIK LABORATORIES REPORTS 7: (1) pp. 75-76., 2019
Juhasz J, Bihary D, Jady A, Pongor S, Ligeti B: Differential signal sensitivities can contribute to the stability of multispecies bacterial communities, BIOLOGY DIRECT 12: (1) 22, 2017
Ligeti B, Menyhárt O, Petrič I, Győrffy B, Pongor S: Propagation on molecular interaction networks: Prediction of effective drug combinations and biomarkers in cancer treatment, CURRENT PHARMACEUTICAL DESIGN 23: (1) pp. 5-28., 2017
Ligeti B, Vera R, Juhász J, Pongor S: CX, DPX, AND PCW: Web servers for the visualization of interior and protruding regions of protein structures in 3D and 1D, In: Yaoqi, Zhou; Andrzej, Kloczkowski; Eshel, Faraggi; Yuedong, Yang (szerk.) Prediction of Protein Secondary Structure, Springer (2017) pp. 301-309., 2017
Nagy G, Czipa E, Steiner L, Nagy T, Pongor S, Nagy L, Barta E: Motif oriented high-resolution analysis of ChIP-seq data reveals the topological order of CTCF and cohesin proteins on DNA., BMC GENOMICS 17: (1) 637, 2016




 

Projekt eseményei

  
2021-02-19 13:12:23
Résztvevők változása



vissza »