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Bioinformatique : des chercheurs développent une nouvelle approche de l’apprentissage automatique

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Pour lutter contre les virus, bactéries et autres pathogènes, la biologie synthétique propose de nouvelles approches technologiques dont les performances sont validées expérimentalement. Des chercheurs de l’Institut Helmholtz de Würzburg pour la recherche sur les infections à base d’ARN et de la coopérative Helmholtz AI ont appliqué l’intégration de données et l’intelligence artificielle (IA) pour développer une approche d’apprentissage automatique capable de prédire l’efficacité des technologies CRISPR avec plus de précision qu’auparavant. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Biologie du génome.

Le génome d'un organisme, ou ADN, comprend un modèle de protéines et régule la production de nouvelles cellules. Dans le but de combattre les agents pathogènes, de traiter les maladies génétiques ou d’obtenir d’autres effets positifs, les techniques de biologie moléculaire CRISPR sont utilisées pour modifier ou faire taire spécifiquement les gènes et empêcher la production de protéines.

L'un de ces outils de biologie moléculaire est CRISPRi (de « interférence CRISPR »). CRISPRi bloque les gènes et leur expression sans modifier la séquence d'ADN. Comme pour le système CRISPR-Cas, également connu sous le nom de « ciseaux à gènes », cet outil comprend de l'acide ribonucléique (ARN), qui agit comme un ARN guide pour guider l'exonucléase (Cas). Contrairement aux ciseaux génétiques, les endonucléases CRISPRi se lient uniquement à l’ADN sans le couper. Cette liaison fait que le gène correspondant n'est pas transcrit et reste donc silencieux.

Jusqu’à présent, il était difficile de prédire les performances de cette méthode pour un gène particulier. Des chercheurs de l'Institut Helmholtz de Würzburg pour la recherche sur les infections à base d'ARN (HIRI), en collaboration avec l'Université de Würzburg et la Helmholtz Artificial Intelligence Collaboration (Helmholtz AI), ont développé une approche d'apprentissage automatique utilisant l'intégration de données et l'intelligence artificielle (IA) pour améliorer ces prédictions pour l’avenir.

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l'approche

Les écrans CRISPRi sont un outil très sensible qui peut être utilisé pour étudier les effets d’une diminution de l’expression des gènes. Dans leur étude publiée aujourd'hui dans la revue biologie du génome, Les scientifiques ont utilisé les données de plusieurs écrans CRISPRi de base à l’échelle du génome pour entraîner l’approche d’apprentissage automatique. Leur objectif : mieux prédire l’efficacité des ARN guides modifiés déployés dans le système CRISPRi.

« Malheureusement, les analyses à l'échelle du génome ne fournissent que des informations indirectes sur l'efficacité du guide », explique Lars Barquist. « Nous avons donc appliqué une nouvelle méthode d'apprentissage automatique qui sépare l'efficacité de l'ARN guide de l'effet d'un gène silencieux. » Le biologiste computationnel a lancé l'étude et dirige le groupe de recherche en bioinformatique de l'Institut Helmholtz de Würzburg, un site du Centre Helmholtz de Braunschweig pour la recherche sur les infections en collaboration avec l'Université Julius Maximilian de Würzburg.

Avec le soutien d’outils d’intelligence artificielle supplémentaires (« IA explicable »), l’équipe a établi des règles de conception compréhensibles pour les futures expériences CRISPRi. Les auteurs de l'étude ont validé leur approche en effectuant un test indépendant ciblant les gènes bactériens essentiels, montrant que leurs prédictions étaient plus précises que les méthodes précédentes.

« Les résultats montrent que notre modèle surpasse les méthodes existantes et fournit des prédictions plus fiables des performances de CRISPRi lors du ciblage de gènes spécifiques », explique Yanying Yu, doctorant dans le groupe de recherche de Lars Barquist et premier auteur de l'étude.

Les scientifiques ont été particulièrement surpris de constater que l’ARN guide lui-même n’est pas le principal facteur déterminant l’épuisement de CRISPRi dans les examens de base. « Certaines caractéristiques génétiques spécifiques associées à l'expression des gènes semblent avoir une influence plus grande qu'on ne le pensait auparavant », explique Yu.

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L’étude révèle également que l’intégration des données provenant de plusieurs ensembles de données améliore considérablement la précision prédictive et permet une évaluation plus fiable de l’efficacité de l’ARN guide. « Il est essentiel d'élargir nos données d'entraînement en combinant plusieurs expériences pour créer de meilleurs modèles de prévision. Avant notre étude, le manque de données constituait un facteur majeur limitant la précision des prévisions », résume le professeur junior Barquist. L'approche publiée aujourd'hui sera très utile pour planifier des expériences CRISPRi plus efficaces à l'avenir et servira à la fois à la biotechnologie et à la recherche fondamentale. « Notre étude fournit un modèle pour développer des outils plus précis pour manipuler l'expression des gènes bactériens et, à terme, aider à mieux comprendre et contrôler les agents pathogènes », explique Barquist.

Les résultats en un coup d'oeil

• Les caractéristiques génétiques sont importantes : les caractéristiques des gènes cibles ont un impact majeur sur la déplétion ciblée de l'ARN dans les criblages à l'échelle du génome.

• L'intégration des données améliore les prédictions : la combinaison des données de plusieurs écrans CRISPRi améliore considérablement la précision des modèles de prédiction et permet des estimations plus fiables de l'efficacité de l'ARN guide.

• Concevoir de meilleures expériences CRISPRi : l'étude fournit des informations précieuses sur la conception d'expériences CRISPRi plus efficaces en prédisant l'efficacité des ARN guides, permettant ainsi des stratégies précises de silençage génétique.

Finance

L'étude a été soutenue par le financement du ministère bavarois des Sciences et des Arts à travers bayresq.net Réseau de recherche.

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Les scientifiques ont réussi à créer des visualisations 3D de la machinerie de transcription des chloroplastes

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Les scientifiques ont réussi à créer des visualisations 3D de la machinerie de transcription des chloroplastes

La photosynthèse est le processus de base qui convertit le dioxyde de carbone et l’eau en énergie chimique et en oxygène grâce à la lumière du soleil. C'est la base de toute vie sur Terre et on le trouve dans les chloroplastes. Les chloroplastes possèdent leur propre ADN, qui contient les plans des protéines essentielles à la machinerie de photosynthèse, permettant aux plantes de fonctionner sans air.

Des chercheurs de Göttingen et de Hanovre ont réussi à visualiser l'ARN polymérase PEP, la machine de transcription des chloroplastes, en résolution 3D, fournissant ainsi de nouvelles informations sur sa fonction et son évolution, essentielles à la lecture des instructions génétiques des protéines photosynthétiques.

Le professeur Dr Hoek Heylen, chercheur à l'Institut Max Planck, explique que l'ARN polymérase appelée PEP est une machine de transcription moléculaire unique qui lit les instructions génétiques du matériel génétique des chloroplastes. La PEP est nécessaire pour activer les gènes nécessaires à la photosynthèse, sans laquelle les plantes ne peuvent pas photosynthétiser et restent blanches au lieu de devenir vertes. La machinerie de transcription comprend un complexe central multi-sous-unités et au moins une douzaine de protéines associées appelées PAP.

Le génome nucléaire d’une cellule végétale fournit les modèles à cet effet.

Le professeur Thomas Pfanschmidt, professeur à l'Institut de botanique de l'Université Leibniz de Hanovre, a déclaré : « Jusqu'à présent, nous avons pu caractériser structurellement et biochimiquement certaines parties individuelles de la machinerie de transcription des chloroplastes, mais nous avons manqué d'un examen précis de sa structure globale et des fonctions des personnes concernées par le projet. »

C’est la première fois que des scientifiques visualisent un complexe PEP de 19 sous-unités en 3D à une résolution de 3,5 angströms, soit 35 millions de fois plus petite qu’un millimètre.

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Fredrik Ahrens, membre de l'équipe Pfanschmidt et l'un des premiers auteurs de l'étude, a déclaré : « Nous avons isolé des PEP intacts à partir de moutarde blanche, une plante modèle dans la recherche sur les plantes. Les scientifiques ont créé un modèle 3D détaillé du complexe PEP en 19 parties en utilisant la microscopie électronique cryogénique. Pour cela, les échantillons ont été congelés instantanément. Les chercheurs ont ensuite imagé le complexe PEP intact. photocopieuse Des milliers de fois, jusqu'au niveau atomique sous de nombreux angles, et ils les ont combinés en une image complète à l'aide de calculs informatiques complexes.

Paola Favoretti Vital do Prado, doctorante au MPI et membre de la Faculté Hertha Spooner du MBExC. Il est également le premier auteur de l'étude Il a dit, « L'instantané structurel a montré que le noyau du PEP ressemble à ceux trouvés dans d'autres ARN polymérases, comme dans les bactéries ou le noyau cellulaire des cellules supérieures. Cependant, il contient des caractéristiques spécifiques aux chloroplastes qui interagissent avec les PEP. Nous ne trouvons que ces derniers dans les plantes. , qui se caractérisent par leur structure unique.

Les scientifiques émettent l'hypothèse que les personnes concernées par le projet remplissent des fonctions individuelles dans la lecture des gènes photosynthétiques. Ils ont découvert que les SNP disposés autour d’un noyau d’ARN polymérase interagissent de différentes manières avec le complexe central et sont probablement impliqués dans le processus de lecture des gènes.

L’équipe de recherche a utilisé des bases de données pour identifier des indices évolutifs et comparer la structure de la machinerie de transcription observée dans d’autres plantes, révélant que la structure du complexe PEP est cohérente dans toutes les plantes terrestres.

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Les découvertes concernant la transcription de l’ADN chloroplastique améliorent notre compréhension de la biogenèse de la photosynthèse et pourraient avoir de futures applications biotechnologiques.

Référence du magazine :

  1. faire du Prado, PFV ; Ahrens, FM ; Liébers, M. Dietz, N. ; Brown, H.-P. Pfanschmidt, T. ; Hillen, HS : Structure d'une ARN polymérase multisous-unités. Cellule moléculaire 84 (29 février 2024) DOI : 10.1016/j.molcel.2024.02.003
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Une orque solitaire tue un grand requin blanc en moins de deux minutes

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Une orque solitaire tue un grand requin blanc en moins de deux minutes
Une attaque tribord sur le Great White s'est terminée en quelques secondes (Photos : Christian Stopforth/Alison Towner et autres)

L'éviscération rapide d'un grand requin blanc à Mossel Bay, en Afrique du Sud, a changé la façon dont la science perçoit la prédation des grands requins blancs par les épaulards.


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L'épaulard connu sous le nom de Starboard – qui fait partie d'un duo qui terrorise les grands requins blancs en Afrique du Sud depuis près d'une décennie – a été vu en train de tuer et de retirer chirurgicalement le foie d'un grand requin blanc – par lui-même – en moins de deux minutes. . C’est la première fois qu’une orque solitaire est documentée en train de tuer.

On pense que les épaulards mâles, connus sous le nom de Port et Tribord – du nom de la façon dont leurs nageoires dorsales battent dans des directions opposées – étaient des prédateurs des grands bélugas de la région depuis 2015, les premières preuves ayant été publiées en 2017. On pensait auparavant qu'ils poursuivaient leurs proies ensemble ou dans le cadre d'un groupe plus large comprenant jusqu'à six animaux.

La dernière observation, survenue à Mossel Bay en juin 2023, a été publiée dans une revue Journal africain des sciences marinespar une équipe dirigée par le Dr Alison Towner, de l'Université de Rhodes en Afrique du Sud, qui étudie la grande prédation blanche dans la région depuis le début de la frénésie meurtrière à bâbord et à tribord.

« Les épaulards, ou orques, coopèrent généralement lorsqu'ils chassent, bien qu'ils puissent chasser seuls », a déclaré Towner. « L'aspect inhabituel était de voir le tribord attraper un requin blanc tout seul et dans un laps de temps remarquablement court. »

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le Fondation du patrimoine terrestre Vidéo documentant l'attaque sans précédent

L'étude note que bâbord et tribord ont été aperçus dans la zone autour de Mossel Bay le 18 juin, avec une « tache de surface visible » et une « odeur distincte de foie de requin » dans l'eau – ce qui suggère que les épaulards avaient déjà tué un requin. Au moins plus tôt dans la journée.

Plus tard dans l'après-midi, un petit animal blanc d'environ 2,5 mètres de long a été repéré à la surface. Celui de tribord serait apparu directement derrière lui, après quoi il « a saisi la nageoire pectorale gauche du requin et l'a poussé plusieurs fois vers l'avant avec le requin avant de finalement l'éviscérer ».

Des témoins de l’incident ont rapporté qu’après l’éventration, Maimana s’est approchée de leur bateau et qu’un « morceau de foie sanglant de couleur pêche est apparu dans sa bouche ».

Cette observation a changé la façon dont les scientifiques envisagent la façon dont les épaulards chassent les grands requins. Bien qu'il ne soit pas rare que les épaulards se chassent eux-mêmes, c'est la première fois que ce comportement est associé à la prédation des grands poissons blancs.

En 2019, Port a été vu portant le corps d'un baleinier en bronze dans sa bouche. Le journal affirme donc que l'âge et la taille du requin sont importants pour déterminer la stratégie de chasse aux épaulards : il ne mesure que 2,5 mètres de long et pèse 100 kg. Le grand requin blanc juvénile présente peu de défi physique pour l'orque mâle adulte, qui peut atteindre plus de 8,5 mètres de long et peser plus de cinq tonnes.

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Des épaulards noirs s'approchent du bateau transportant du foie de grand requin blanc
Tribord s'approchant du bateau des observateurs avec sa tasse (Photo : Francesca Romana Romero/Alison Towner) et autres)

Cependant, une grande femelle à queue blanche pourrait peser plus de 5 mètres et 2 000 grammes et constituerait un défi plus sérieux pour les épaulards – même si à en juger par le nombre de carcasses de requins trouvées au fil des ans, ce n'est clairement pas beaucoup.

« Cette observation a révélé des preuves de chasse solitaire par au moins un épaulard, remettant en question les comportements de chasse coopératifs traditionnels connus dans la région », a déclaré Towner. « Il s'agit d'informations révolutionnaires sur le comportement prédateur de cette espèce, et nos résultats contribuent de manière significative à la compréhension mondiale de la dynamique de prédation des épaulards, en faisant progresser la connaissance des écosystèmes marins et des relations prédateurs-proies. »

La présence de bâbord et de tribord autour de la côte sud de l'Afrique du Sud a eu un impact significatif sur l'importante population blanche de la région. False Bay, autrefois un haut lieu de la plongée en cage blanche, était pratiquement dépourvue de l'espèce depuis 2017, jusqu'à ce qu'une vague d'observations en novembre 2023 signale son retour.

Les deux hommes sont devenus des célébrités locales et bénéficiaient probablement de l'attention des médias – à en juger par le comportement de Starboard après le meurtre.

« L’autre chose étonnante de cette observation, c’est que l’épaulard est venu avec le foie dans la bouche et s’est dirigé vers le bateau. [that witnessed the attack]Towner a dit Entretien avec Sky News. « Ils ont eu un aperçu direct de ce à quoi ça ressemble – c'est plutôt cool. » Le silence des agneaux-nid!'

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Le document s’intitule « Plus de réflexions sur les épaulards ». Orque Ursinus S'attaque aux requins blancs Carcharodon carcarias En Afrique du Sud, par Alison Towner, et autresPublié dans Journal africain des sciences marines Sous licence libre d'accès.

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Un signal d’alarme depuis l’Antarctique

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Un signal d’alarme depuis l’Antarctique

Dans cette illustration, l’eau de mer s’écoule profondément sous la surface dans une fissure de la banquise qui s’ouvre activement en Antarctique. De nouvelles recherches montrent que de telles fissures peuvent s’ouvrir très rapidement et que l’écoulement de l’eau de mer aide à contrôler la rapidité avec laquelle la banquise se brise. Crédit : Rob Soto

Il y a suffisamment d'eau gelée dans les glaciers du Groenland et de l'Antarctique pour que, s'ils fondaient, les mers du monde s'élèveraient de plusieurs mètres. Ce qui arrivera à ces glaciers au cours des prochaines décennies constitue la plus grande inconnue en ce qui concerne l’augmentation future du niveau de la mer, en partie parce que la physique du vêlage des glaciers n’est pas encore entièrement comprise.

La question cruciale est de savoir comment des océans plus chauds peuvent entraîner une désintégration plus rapide des glaciers. Université de Washington Les chercheurs ont démontré la fracture à grande échelle la plus rapide connue le long de la plate-forme de glace de l'Antarctique. L'étude a été récemment publiée dans Fourni par l'Université du Golfe ArabiqueIl montre qu'une fissure de 10,5 kilomètres de long s'est formée en 2012 sur le glacier de Pine Island – une plate-forme de glace en retrait retenant la plus grande calotte glaciaire de l'Antarctique occidental – en 5 minutes et demie environ. Cela signifie que la fissure s'est ouverte à une vitesse d'environ 115 pieds (35 mètres) par seconde, soit environ 80 miles par heure.

« À notre connaissance, il s'agit de l'événement d'ouverture de faille le plus rapide jamais observé », a déclaré l'auteur principal Stephanie Olinger, qui a réalisé ce travail dans le cadre de ses recherches doctorales à l'Université du Wisconsin et à l'Université Harvard et est maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de Stanford. . « Cela montre que, dans certaines conditions, les plates-formes de glace peuvent se briser. Cela nous indique que nous devons rechercher ce type de comportement à l'avenir et cela nous indique comment nous pouvons décrire ces fractures dans des modèles de calotte glaciaire à grande échelle. « .

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L'importance de la formation de fissures

La crevasse est une fissure qui traverse environ 1 000 pieds (300 m) de glace flottante d'une plate-forme de glace typique de l'Antarctique. Ces fissures sont un précurseur du vêlage de la banquise, où de gros morceaux de glace se détachent d'un glacier et tombent dans la mer. De tels événements se produisent souvent au glacier Pine Island, où l'iceberg observé dans l'étude s'est longtemps séparé du continent.

Image satellite de la faille

Des images satellite prises le 8 mai (à gauche) et le 11 mai (à droite), à ​​trois jours d'intervalle en 2012, montrent une nouvelle faille formant un « Y » bifurquant à gauche de la faille précédente. Trois instruments sismiques (triangles noirs) ont enregistré des vibrations qui ont été utilisées pour calculer des vitesses de propagation des failles allant jusqu'à 80 mph. Crédit : Olinger et al./AGU Advances

« Les plates-formes de glace exercent une influence importante sur la stabilité du reste de la calotte glaciaire de l'Antarctique. « Si la plate-forme de glace se brise, la glace située derrière elle s'accélère », a déclaré Ollinger. « Ce processus de fracturation est essentiellement la façon dont les plates-formes de glace de l'Antarctique travail. »Création de grands icebergs.

Dans d’autres régions de l’Antarctique, les failles se développent souvent sur des mois ou des années. Mais cela pourrait se produire plus rapidement dans un environnement en évolution rapide comme le glacier de Pine Island, où les chercheurs pensent que la calotte glaciaire de l’Antarctique occidental s’est déjà formée. Un tournant est passé Quand il s'effondre dans l'océan.

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Défis liés à la surveillance des changements glaciaires

Les images satellite fournissent un retour d’information continu. Mais les satellites en orbite autour de la Terre ne traversent chaque point de la Terre que tous les trois jours. Il est difficile de déterminer ce qui se passera pendant ces trois jours, surtout compte tenu de la vue dangereuse de la fragile banquise antarctique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont combiné des outils pour comprendre la formation des failles. Ils ont utilisé des données sismiques enregistrées par des instruments placés sur la banquise par d'autres chercheurs en 2012 ainsi que des observations radar de satellites.

La glace glaciaire se comporte comme un solide sur de courtes échelles de temps, mais plutôt comme un liquide visqueux sur de longues échelles de temps.

« La formation d'une fissure ressemble-t-elle davantage à un bris de verre ou à un bris de Silly Putty ? C'était la question », a déclaré Ollinger. « Nos calculs de cet événement montrent que c'est très similaire au bris de verre. »

Le rôle de l’eau de mer et les recherches futures

Si la glace était un simple matériau fragile, elle se décomposerait plus rapidement, a déclaré Olinger. Une enquête plus approfondie a mis en évidence le rôle de l'eau de mer. L'eau de mer contenue dans les crevasses maintient l'espace ouvert contre les forces intérieures du glacier. Étant donné que l’eau de mer a une viscosité, une tension superficielle et une masse, elle ne peut pas combler un vide instantanément. Au lieu de cela, la vitesse à laquelle l’eau de mer remplit l’ouverture de la fissure contribue à ralentir la propagation de la fissure.

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« Avant de pouvoir améliorer les performances des modèles de calotte glaciaire à grande échelle et les prévisions de l'élévation future du niveau de la mer, nous devons avoir une bonne compréhension, basée sur la physique, des nombreux processus différents qui influencent la stabilité de la plate-forme de glace », a déclaré Olinger.

Référence : « Le couplage océanique limite la vitesse de rupture pour l'événement de propagation de fissure de plate-forme glaciaire le plus rapide » par Stephanie D. Olinger et Bradley B. Lipofsky et Marin A. Denol, 05 février 2024, Fourni par l'Université du Golfe Arabique.
est ce que je: 10.1029/2023AV001023

La recherche a été financée par la National Science Foundation. Les co-auteurs sont Brad Lipofsky et Marine Degnole, tous deux membres du corps professoral de l'UW en sciences de la terre et de l'espace, qui ont commencé à conseiller leurs travaux à Harvard.

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