Une étude révèle de nouvelles perspectives sur l’évolution de la levure grâce à l’analyse par IA de plus de 1 000 souches, remettant en question les anciens paradigmes et fournissant un ensemble de données complet pour faire progresser la recherche dans plusieurs domaines scientifiques. Colonies de levures (colorées artificiellement). Crédit : UNC Charlotte
Abigail Leavitt LaBella, professeure adjointe de bioinformatique à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte, a codirigé une étude ambitieuse — publiée dans la prestigieuse revue Science – qui rapporte des découvertes intrigantes issues d’une analyse innovante de l’intelligence artificielle sur les levures, les petits champignons qui contribuent grandement à la biotechnologie, à la production alimentaire et à la santé humaine.
Les résultats remettent en question les cadres acceptés dans lesquels l’évolution de la levure est étudiée et donnent accès à un ensemble de données d’analyse de levure incroyablement riche qui pourrait avoir des implications majeures pour la future recherche en biologie évolutive et en bioinformatique.
LaBella, qui a rejoint le département de bioinformatique de l'UNC Charlotte au Collège d'informatique et d'informatique en tant que professeur adjoint et chercheur au campus de recherche de Caroline du Nord en 2022, a mené l'étude avec le co-auteur principal Dana A. Opulente de l'Université Villanova. Ils ont collaboré avec des collègues chercheurs de l’Université Vanderbilt et de l’Université du Wisconsin à Madison, ainsi qu’avec des collègues d’instituts de recherche du monde entier.
Il s’agit de l’étude phare de le projet Y1000+un projet interinstitutionnel massif de séquençage et de phénotypage du génome de la levure auquel LaBella a rejoint en tant que chercheur postdoctoral à l'Université Vanderbilt.
« Les levures sont des champignons unicellulaires qui jouent un rôle essentiel dans notre vie quotidienne. Ils fabriquent du pain et de la bière, sont utilisés dans la production de médicaments, peuvent provoquer des infections et, en tant que proches parents des animaux, ils nous ont aidés à comprendre le fonctionnement du cancer », a déclaré LaBella. « Nous voulions savoir comment ces petits champignons ont évolué pour avoir une gamme aussi incroyable de fonctions et de caractéristiques. Avec la caractérisation de plus d'un millier de levures, nous avons constaté que les levures ne correspondent pas à l'adage « touche-à-tout, maître de rien ».
Résultats et implications de l'étude
Cette étude contribue à une compréhension fondamentale de la façon dont les microbes évoluent au fil du temps tout en générant plus de 900 nouvelles séquences génomiques pour les levures, dont beaucoup pourraient être exploitées dans des domaines biofongiques tels que la lutte antiparasitaire agricole, le développement de médicaments et la production de biocarburants.
LaBella et ses co-auteurs — grâce à une analyse d'apprentissage automatique assistée par intelligence artificielle de l'ensemble de données du projet Y1000+ comprenant 1 154 souches de l'ancienne levure unicellulaire Saccaromycotina — ont tenté de répondre à une question importante. Autrement dit : pourquoi certaines levures mangent (ou métabolisent) seulement quelques types de carbone pour produire de l'énergie alors que d'autres peuvent en manger plus d'une douzaine ?
Abigail Leavitt LaBella. Crédit : UNC Charlotte
Le nombre total de sources de carbone utilisées par une levure pour produire de l'énergie est connu en termes écologiques sous le nom de niche de carbone. Les humains varient également dans l’étendue de leur niche carbone – par exemple, certaines personnes peuvent métaboliser le lactose tandis que d’autres ne le peuvent pas.
La recherche en biologie évolutionniste a soutenu deux paradigmes globaux clés sur l'étendue des niches, le phénomène expliquant pourquoi certains organismes de levure (« spécialistes ») évoluent pour être capables de métaboliser seulement un petit nombre de formes de carbone comme carburant tandis que d'autres (« généralistes ») évoluent pour être capables de métaboliser seulement un petit nombre de formes de carbone comme carburant. capable de consommer et de croître sur une grande variété de formes de carbone. L’un de ces paradigmes illustre qu’être généraliste implique certains compromis par rapport à être spécialiste. Notamment, dans ce dernier cas, la capacité à traiter une large gamme de formes de carbone se fait au détriment de la capacité de la levure à traiter et à croître efficacement sur chaque forme de carbone. La seconde est que ces spécialistes et généralistes de la levure évoluent pour s’adapter à l’un ou l’autre profil en raison des effets combinés de différents traits intrinsèques de leurs génomes respectifs et de différentes influences extrinsèques basées sur les différents environnements dans lesquels les organismes de levure existent.
Remettre en question les paradigmes existants
LaBella et ses collègues ont trouvé de nombreuses preuves étayant l'idée selon laquelle il existe des différences génétiques intrinsèques et identifiables entre les spécialistes de la levure et les généralistes, en particulier que les généralistes ont tendance à avoir un nombre total de gènes plus important que les spécialistes. Par exemple, ils ont constaté que les généralistes sont plus susceptibles de synthétiser la carnitine, une molécule impliquée dans la production d’énergie et souvent vendue comme complément d’exercice.
Mais de manière inattendue, leurs recherches ont trouvé des preuves très limitées du compromis évolutif attendu de la capacité d'une levure à traiter de nombreuses formes de carbone au détriment de sa capacité à le faire efficacement et à se développer en conséquence, et vice versa.
« Nous avons constaté que les levures capables de se développer sur de nombreux substrats carbonés sont en fait de très bons producteurs », a déclaré LaBella. « C'était une découverte très surprenante pour nous. »
Alors que les résultats de cette expérience spécifique et les mécanismes innovants d'apprentissage automatique utilisés dans son analyse pourraient avoir des implications majeures pour la bioinformatique, l'écologie, le métabolisme et la biologie évolutive, la publication de cette étude signifie que le recueil massif de données sur la levure du projet Y1000+ est désormais disponible. disponible pour les chercheurs du monde entier comme point de départ pour amplifier leurs propres recherches sur la levure.
« Cet ensemble de données constituera une ressource énorme à l'avenir », a déclaré LaBella.
