Die genetische Evolution von Süßwasserfischen in Ecuador könnte Naturschutzökologen neue Erkenntnisse bringen. Eine neue Zusammenarbeit zwischen Biologen und Informatikern bei DePaul versucht, die Genome dieser Arten zu sequenzieren.
„Dies hat das Potenzial, uns einen echten Einblick in die Evolution und Anpassung dieser Fische sowie in die Natur des Planeten und die Herausforderungen zu geben, denen wir gegenüberstehen“, sagt Windsor Aguirre, außerordentlicher Professor für Evolutionsbiologie und Co-Lead on das Projekt.
Aguirre und Thiru Ramaraj, ein Assistenzprofessor an der School of Computing, werden ein hochwertiges Referenzgenom für zwei Arten der endemischen Salmlergattung Rhoadsia erstellen und eine Resequenzierung von 20 weiteren Exemplaren durchführen. Dies wird nicht nur die Forschung von Aguirre erweitern und zur Geschichte der Art beitragen, sondern auch eine öffentlich zugängliche Ressource für Forscher auf der ganzen Welt sein, die die Evolution von Genen untersuchen.
„Menschen haben einen außergewöhnlichen Einfluss auf den Planeten, daher ist jede Spezies gezwungen, auf Menschen zu reagieren“, sagt Aguirre. „Jedes Ökosystem ist bis zu einem gewissen Grad betroffen, und viele sind sehr stark betroffen.“
Ihre Forschung wird DNA-Sequenzierung der nächsten Generation und Bioinformatik verwenden, um zu untersuchen, warum bestimmte Arten im Laufe der Zeit bestanden haben, andere jedoch nicht.
Ecuadorianische Fische enthalten genetische Hinweise
Aguirre erforscht seit 2008 die Süßwasserfische Ecuadors und bezeichnet sie als „globalen Biodiversitäts-Hotspot“. Letztes Jahr veröffentlichten Aguirre und seine ecuadorianischen Co-Autoren eine Rezension in der Zeitschrift für Fischbiologie über die Erhaltungsbedrohungen für die Fischerei in Ecuador – die erste umfassende Zusammenfassung des Zustands der Fische.
Viele Labore haben Zugang zu Modellgenomen wie Maus, Ratte, Fruchtfliege oder Zebrafisch. Aguirre wollte den nächsten Schritt bei der Sequenzierung des Genoms dieser endemischen Fische machen und im Gegenzug eine Ressource schaffen, die Forscher auf der ganzen Welt nutzen können, um die Evolution von Genomen zu studieren und zu untersuchen. Er hofft auch, dass es weitere Forschungen zur Entwicklung von Süßwasserfischen in dieser wichtigen Region anregen wird.
Ramaraj kam 2019 zu DePaul und die beiden trafen sich über eine Bioinformatik-Gruppe, die von Fakultäten des Jarvis College of Computing and Digital Media und des College of Science and Health gebildet wurde.
„Thirus Expertise auf dem Gebiet der Bioinformatik und Computational Science ist unglaublich wichtig“, sagt Aguirre. „Mit dem technologischen Fortschritt wird es sehr einfach, diese großen Datenmengen zu generieren. Die Herausforderung besteht darin, sie zu verstehen, und das erfordert Computerwerkzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, um sehr große Datenmengen zu filtern, zu organisieren und zu verarbeiten.“
In seiner vorherigen Position an einem gemeinnützigen biotechnologischen Forschungsinstitut war Ramaraj Bioinformatiker und arbeitete fast ein Jahrzehnt lang mit Sequenzierungsdaten der nächsten Generation. Er sequenzierte Daten von DNA und RNA über alle Domänen hinweg.
„Ich habe mit Mikrobiologen, Zoologen, Pflanzen- und Humangenetikern und Biochemikern zusammengearbeitet“, sagt Ramaraj. Er wollte diese Arbeit bei DePaul fortsetzen, und die Projekte mit Aguirre passten perfekt.
Genomsequenzierung kein Mondschuss mehr
Als 2001 der erste Entwurf des menschlichen Genoms veröffentlicht wurde, war dies laut Aguirre ein bedeutender Meilenstein.
„Das war eine massive, internationale Anstrengung, an der Regierungen und private Institutionen beteiligt waren, Hunderte von Millionen Dollar in einem enormen Umfang“, stellt er fest. Jetzt können Forscher für ein paar tausend Dollar Genome vergleichbarer Größe herstellen.
„Etwas, das vor 20 Jahren im Grunde genommen einem Mondschuss entsprach, können wir jetzt in einer Universitätsumgebung machen und unseren Studenten sagen, wie wir wirklich außergewöhnliche Daten über die grundlegende Evolutionsgeschichte von Organismen generieren“, sagt Aguirre.
Sie werden Daten mithilfe der Sequenzierungstechnologie von Pacific Biosciences generieren, die lange, qualitativ hochwertige DNA-Sequenzen produziert und sie mithilfe einer Computermethode wieder in ein vollständiges Genom einfügt.
„Die Analogie ist, ein Buch zu nehmen, es auseinanderzureißen und wieder zusammenzusetzen“, sagt Ramaraj. „Sobald wir Daten haben, können wir nach interessanten Mustern suchen, untersuchen, wo sich die Gene befinden, und ihre Funktion verstehen. Wir können auch bestimmen, wie sich die Genome selbst von eng verwandten Arten unterscheiden.“
Beide Forscher planen, das Projekt zu nutzen, um das Bewusstsein von DePaul-Studenten in Biologie, Informatik und anderen Bereichen für das Gebiet der Computerbiologie zu schärfen. Die Datenwissenschaft kann dazu beitragen, reale Lösungen für Umweltprobleme bereitzustellen, was sie zu einem hervorragenden Karriereweg macht.
„Als Informatiker mit diesem Wissen kann man für Pharma- und Pflanzenbiotechnologieunternehmen arbeiten“, sagt Ramaraj. „Alles, was Sie hier lernen, kann in diesen Bereichen angewendet werden.“
Windsor E. Aguirre et al, Naturschutzbedrohungen und Zukunftsaussichten für die Süßwasserfische Ecuadors: Ein Hotspot der neotropischen Fischvielfalt, Zeitschrift für Fischbiologie (2021). DOI: 10.1111/jfb.14844