O bakteriach szkodliwych i korzystnych dla roślin rozmawiamy z prof. George’em DiCenzo z Queen’s University w Canadzie, który przyjechał w marcu na Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii UG i GUMed w ramach III edycji programu „Profesorowie Wizytujący”. Kanadyjski bioinformatyk opowiada m.in. jak rozpoczęła się jego współpraca z naukowcami z UG, na czym polega jego rola w projektach zespołu prof. dr hab. Ewy Łojkowskiej oraz w jaki sposób wykorzystuje komputery w badaniach interakcji między roślinami i bakteriami.
Marcel Jakubowski: Przyjazd w ramach programu „Profesorowie Wizytujący” to nie twoja pierwsza współpraca z zespołem prof. dr hab. Ewy Łojkowskiej. Obecnie pełnisz też rolę konsultanta w projekcie dotyczącym antybakteryjnych właściwości zimnej plazmy. Na czym polega to wsparcie?
Prof. George DiCenzo: – To ciekawy projekt. Badacze z tego zespołu, w szczególności dr Agata Motyka-Pomagruk, dr Wojciech Śledź i mgr Weronika Babińska-Wensierska analizują antybakteryjne właściwości roztworów wodnych, uzyskanych w wyniku działania zimnej plazmy, sa to tzw. roztwory post-plazmowe. Sam zajmuję się pracą eksperymentalną i bioinformatyczną. Natomiast w ramach konsultacji przekazałem parę swoich propozycji i informację zwrotną na temat pomysłów zespołu.
– Pięć lat temu napisałeś także artykuł z Agatą Motyką-Pomagruk, wtedy jeszcze doktorantką w zespole prof. Łojkowskiej, o zastosowaniu sfermentowanych winogron do syntezy nanocząstek złota. Czy to pierwszy wspólny projekt z naukowcami z Uniwersytetu Gdańskiego?
– Tak. W 2016 poznałem Agatę Motykę-Pomagruk w czasie stażu, który jako doktoranci odbywaliśmy w Department of Biology w Uniwersytecie Florenckim. We wspomniany projekt zaangażowałem się ja, Agata oraz naukowcy z Wrocławia. Zaplanowaliśmy go wspólnie. Każde z nas miało swój wkład, zatem postanowiliśmy także razem napisać artykuł opisujący wyniki naszych badań.
– Czy kontynuowałeś współpracę z dr Agatą Motyką-Pomagruk?
– Nasze staże we Florencji nałożyły się, dwa miesiące pracowaliśmy w tym samym laboratorium, nasze biurka były zlokalizowane obok siebie, więc poznaliśmy się całkiem dobrze. Po tym stażu Agata robiła mnóstwo fascynującej nauki. Cieszę się, że mogłem utrzymać tę znajomość przez tyle lat.
– Przez dwa tygodnie doktoranci UG uczestniczyli w twoim autorskim kursie. Co mają wynieść z tych zajęć?
– Kurs dotyczył bioinformatyki i genomiki porównawczej. Te dwa obszary badawcze wykorzystują komputery do analizy danych biologicznych. Chciałbym, żeby doktoranci z UG nabyli umiejętności, które będą mogli wykorzystać we własnych badaniach np. nauczyli się jak umiejętne dobierać narzędzia bioinformatyczne do poszukiwania odpowiedzi na stawiane przez siebie pytania badawcze. Mam nadzieję, że ten kurs pomoże im w analizie wyników własnych badań za pomocą specjalistycznych programów, w taki sposób, żeby pozyskane informacje pozwalały na rozwiązywanie problemów naukowych. Ważna jest nie tylko umiejętność korzystania z tych narzędzi, ale także zdolność do zrozumienia znaczenia danych wyjściowych.
– Podczas wizyty w ramach programu „Profesorów Wizytujących” prowadzisz także aktywności badawcze z zespołem prof. Ewy Łojkowskiej. Chodzi tutaj o wykonanie wizualizacji wysokoprzepustowych danych biologicznych pozyskanych dzięki technologii RNA-seq. Czy mógłbyś powiedzieć coś więcej na temat tego projektu?
– Doktorantka prof. Ewy Łojkowskiej Weronika Babińska-Wensierska wykonała sekwencjonowanie RNA dwóch szczepów bakterii z gatunku Dickeya solani, które są patogenami ziemniaka i wykazują różną zdolność do wywoływania objawów chorobowych na ziemniaku. Bakterie były hodowane w warunkach indukujących i nieindukujacych zdolność do wywoływania choroby. W ten sposób badaczki chcą poznać czynniki, które na poziomie molekularnym, warunkują różną zdolność bakterii do powodowania objawów chorobowych w warunkach laboratoryjnych. Ta wiedza mogłaby pomóc w wyjaśnieniu, czemu różne szczepy bakterii z tego samego gatunku mają różną zdolność do powodowania choroby w warunkach polowych. Wynikiem eksperymentu jest duży zestaw danych, który zawiera informacje o tysiącach wyrażanych w obu układach genów, a właściwie ich transkryptów (czyli cząsteczek mRNA). Analiza tych informacji i przedstawienie ich w przystępny sposób to spore wyzwanie. Nie można opublikować po prostu listy 4000 genów, które są wyrażane w określonych warunkach. Dyskutowaliśmy, o tym jak zwizualizować te dane za pomocą różnych programów komputerowych, tak aby dało się je przedstawić w artykule naukowym. Zazwyczaj do tego celu używamy wykresów, map ciepła (heatmaps), czy analizy głównych składowych (Principal Component Analysis).
– We własnym laboratorium także badasz bakterie, ale nie patogeny, tylko takie, które przynoszą roślinom korzyści, np. rhizobia. W jaki sposób te organizmy pomagają rolnikom?
– Rhizobia to bakterie glebowe, które są w stanie żyć samodzielnie w glebie, ale posiadają także niesamowitą zdolność wiązania azotu wtedy gdy pozostają w symbiozie z roślinami strączkowymi takimi jak ciecierzyca czy fasola. Rhizobia infekują komórki korzeni i indukują powstawanie wyspecjalizowanych narządów tzw. brodawek korzeniowych. Następnie pobierają z gleby i powietrza wolny azot i przekształcają go w jony amonowe, który rośliny wykorzystują do budowy między innymi białek. Rośliny uprawne potrzebują azotu, aby rosnąć, ale nie mogą go czerpać wprost z atmosfery, muszą go otrzymać w postaci nawozu azotowego. Rośliny rosnące w symbiozie z rhizobiami są odpowiedzią na ten problem. Rośliny strączkowe zasiedlane przez rhizobia mogą rozwijać się nawet w glebach ubogich w azot; bakterie pozwalają im bowiem na pozyskiwanie azotu atmosferycznego. W rolnictwie jeśli ktoś hoduje soję lub groch może, zamiast nawozu azotowego, wykorzystać rhizobia. To ważne i ekologiczne rozwiązanie, które jest jednym z elementów zrównoważonego rozwój rolnictwa.
– Wraz ze swoim zespołem chcecie zmodyfikować tak bakterie, aby były jeszcze bardziej użyteczne dla rolników. Jakie cechy rhizobii chcecie wzmocnić?
– Jednym z celów jest modyfikacja ich genomu, drugim lepsze określenie środowiska odpowiedniego do namnażania się bakterii z grupy Rhizobium i ulepszenie efektywności procesu zakażania roślin. W ten sposób wzmocnimy dwie cechy. Pierwszą jest zdolność bakterii z grupy Rhizobium do ustanowienia interakcji symbiotycznej z rośliną. Często to jeden z czynników limitujących wnikanie tych bakterii do korzeni roślin. Jeśli lepiej zrozumiemy proces wnikania i wczesnego namnażania się bakterii w korzeniach roślinach strączkowych, będziemy mogli zwiększyć szanse powstania takiej interakcji, a bez niej nie ma rośliny nie mogą pobierać azotu atmosferycznego.
– A druga cecha?
– Nasza praca w dużej mierze dotyczy badania metabolizmu. Chcemy zrozumieć reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz komórek bakterii oraz to, w jaki sposób rośliny i bakterie wymieniają się substancjami odżywczymi w procesie symbiozy. Szczególnie interesują nas te czynniki, które ograniczają proces wiązania azotu atmosferycznego. Dzięki tym badaniom chcielibyśmy zwiększyć tempo wiązania azotu, na skutek czego rośliny pozyskiwałyby jeszcze więcej tego pierwiastka. Jedną z zalet bakterii z grupy Rhizobium jest to, że dostarczają azot nie tylko roślinom, ale także wzbogacają glebę w łatwo przyswajalny azot amonowy. Dzięki temu gleba jest bogatsza i lepiej przygotowana do kolejnych upraw.
– W jaki sposób wykorzystujecie bioinformatykę w tych badaniach?
– Nasz zespół pracuje w laboratorium (czyli prowadzi tzw. badania mokre) jak i przy komputerach (badania in silico). Wykorzystujemy bioinformatykę, aby porównywać genomy, np. by zidentyfikować te elementy, które różnią badane szczepy z grupy Rhizobium na poziomie genetycznym. Za pomocą specjalistycznych programów komputerowych jesteśmy w stanie stwierdzić, które geny są tak samo zbudowane, a które inaczej. Po takim porównaniu próbujemy zrozumieć funkcję danego genu w oparciu o informacje o innych genach podobnych do badanego. Możemy użyć genomiki i bioinformatyki do analizy danych sekwencyjnych, określenia obecności danych genów, ich budowy czy też badania struktury całych genomów. Następnie wykorzystujemy te informacje do dalszej analizy.
Innych programów komputerowych używamy do analizy metabolizmu komórek bakteryjnych. Nasze modele obliczeniowe to ogromne modele matematyczne, które pozwalają nam symulować reakcje chemiczne zachodzące w komórkach. Dzięki tej technologii możemy zobaczyć, jak wygląda metabolizm w danej komórce oraz jak różne geny zmieniają ten proces lub jak zmiany w środowisku wpływają na zmiany metabolizmu bakterii.
– Czy te symulacje środowiska i innych czynników są w 100 proc. dokładne?
– Nie, dokładność tych symulacji na pewno nie jest stuprocentowa. Modele powinny zawsze być traktowane jako hipotezy. Zawierają sporo poprawnych założeń, ale generują również niedokładne prognozy. Koniec końców to tylko narzędzia, które pozwala naukowcom przewidywać wyniki eksperymentów. Model to pierwszy krok, jego rezultaty można wykorzystać do zaprojektowania eksperymentu laboratoryjnego, dzięki któremu testujemy czy wykonana symulacja była dokładna. Jednak komputery nie zastąpią praktycznych działań. Uważam, że do pomyślnych badań potrzeba umiejętnego połączenia eksperymentów wykonanych w laboratorium „mokrym” i narzędzi bioinformatycznych.
– Twój zespół składa się głównie z młodych doktorantów i studentów studiów magisterskich. Czy ta perspektywa początkujących naukowców to coś, czego świadomie szukałeś podczas tworzenia zespołu?
– Na Queen’s University w Kanadzie prowadzę jedno z tzw. laboratoriów akademickich. Ich celem, poza prowadzeniem badań, jest szkolenie nowych naukowców. Obecnie większość mojego zespołu to doktoranci oraz studenci studiów drugiego, a nawet pierwszego stopnia. Sam nie mam czasu, aby wykonywać dużą ilość pracy eksperymentalnej. Studenci wykonują badania laboratoryjne, wprowadzają pozytywną atmosferę oraz zainteresowanie i chęć do wykonywania innowacyjnych eksperymentów. Są w stanie bardzo szybko nauczyć się różnych metod laboratoryjnych i prowadzania badań. Zwykle po jakimś czasie wykorzystają te nowe techniki podczas prowadzenia swoich własnych projektów. Po doktoracie przenoszą się do innego laboratorium lub zakładają własny zespół badawczy, ponieważ zwykle posiadają już kompetencje do stawiania hipotez i odpowiadania na własne pytania badawcze.
– Dziękuję za rozmowę.
– Dziękuję.
fot. i tekst Marcel Jakubowski/ Zespół Prasowy UG