_ Instrumentele de calcul alimentează reconstrucția noilor și arborele genealogic îmbunătățit al păsărilor

O echipă internațională de oameni de știință a construit cel mai mare și mai detaliat arbore genealogic de păsări până în prezent — o diagramă complicată care delimitează 93 de milioane de ani de relații evolutive între 363 de specii de păsări, reprezentând 92% din total familii de păsări.

Avansul a fost posibil în mare parte datorită metodelor de calcul de ultimă oră dezvoltate de inginerii de la Universitatea din California San Diego, combinate cu resursele de supercalculare de ultimă generație ale universității de la Centrul de supercomputer din San Diego. Aceste tehnologii le-au permis cercetătorilor să analizeze cantități mari de date genomice cu precizie și viteză ridicate, punând bazele construcției celui mai cuprinzător arbore genealogic de păsări asamblat vreodată.

Avansul este detaliat în două lucrări complementare publicate. pe 1 aprilie în Nature and the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Arborele genealogic actualizat, raportat în Nature, a dezvăluit modele în istoria evolutivă a păsărilor în urma evenimentului cataclismic de extincție în masă care a distrus dinozaurii în urmă cu 66 de milioane de ani.

Cercetătorii au observat creșteri puternice ale mărimii efective a populației, substituție. ratele și dimensiunea relativă a creierului la păsările timpurii, aruncând o lumină nouă asupra mecanismelor de adaptare care au determinat diversificarea aviară în urma acestui eveniment esențial. În lucrarea însoțitoare publicată în PNAS, cercetătorii au examinat îndeaproape una dintre ramurile noului arbore genealogic și au descoperit că flamingo și porumbei sunt înrudiți mai îndepărtat decât au arătat analizele anterioare la nivelul genomului.

Lucrarea face parte. din Proiectul Bird 10.000 Genomes (B10K), un efort multi-instituțional condus de Universitatea din Copenhaga, Universitatea Zhejiang și UC San Diego, care își propune să genereze secvențe de genom în schiță pentru aproximativ 10.500 de specii de păsări existente.

„Noastre. Scopul este de a reconstrui întreaga istorie evolutivă a tuturor păsărilor”, a spus Siavash Mirarab, profesor de inginerie electrică și informatică la UC San Diego Jacobs School of Engineering, care este co-autor principal al lucrării Nature, precum și primul și Autor corespondent al lucrării PNAS.

În centrul acestor studii se află o suită de algoritmi cunoscuți sub numele de ASTRAL, pe care laboratorul lui Mirarab i-a dezvoltat pentru a deduce relații evolutive cu scalabilitate, precizie și viteză fără precedent. Valorificând puterea acestor algoritmi, echipa a integrat date genomice din peste 60.000 de regiuni genomice, oferind o bază statistică solidă pentru analizele lor.

Cercetătorii au examinat apoi istoria evolutivă a segmentelor individuale din genom. De acolo, au alcătuit un mozaic de arbori genetici, care au fost apoi compilați într-un arbore cuprinzător al speciilor. Această abordare meticuloasă le-a permis cercetătorilor să construiască un arbore genealogic de păsări nou și îmbunătățit, care delimitează evenimente complexe de ramificare cu o precizie și detalii remarcabile, chiar și în cazuri de incertitudine istorică.

„Am descoperit că metoda noastră de a adăuga zeci de mii de gene pentru analiza noastră a fost de fapt necesar pentru a rezolva relațiile evolutive dintre speciile de păsări”, a spus Mirarab. „Aveți nevoie într-adevăr de toate acele date genomice pentru a recupera ceea ce s-a întâmplat în această anumită perioadă de timp acum 65-67 de milioane de ani cu mare încredere.”

Abilitatea echipei de a efectua aceste analize pe seturi masive de date a fost posibilă deoarece Laboratorul lui Mirarab și-a proiectat metodele de calcul pentru a rula pe mașini GPU puternice. Și-au rulat calculele pe supercomputerul „Expanse” de la Supercomputerul San Diego de la UC San Diego.

„Am fost norocoși să avem acces la un astfel de supercomputer de ultimă generație”, a spus Mirarab. „Fără Expanse, nu am fi putut rula și relua analizele noastre pe seturi de date atât de mari într-un timp rezonabil.”

Cercetătorii au analizat, de asemenea, efectele diferitelor metode de prelevare a genomului asupra preciziei arborelui. Ei au arătat că două strategii – secvențierea multor gene din fiecare specie, precum și secvențierea multor specii – combinate împreună sunt importante pentru reconstrucția acestei istorii evolutive.

„Deoarece am folosit un amestec al ambelor strategii, am putut testa care abordare are un impact mai puternic asupra reconstrucției filogenetice”, a declarat Josefin Stiller, profesor de biologie la Universitatea din Copenhaga și autorul principal al lucrării Nature.

„Am descoperit că este mai important să eșantionăm multe secvențe genetice. din fiecare organism decât a fost pentru a preleva probe dintr-o gamă mai largă de specii, deși ultima metodă ne-a ajutat să înregistrăm când au evoluat diferite grupuri.”

Cu ajutorul metodelor lor avansate de calcul, cercetătorii au putut, de asemenea, pentru a face lumină asupra a ceva neobișnuit pe care l-au descoperit într-unul dintre studiile lor anterioare: o anumită secțiune a unui cromozom din genomul păsării a rămas neschimbată timp de milioane de ani, lipsită de modelele așteptate de recombinare genetică.

Această anomalie i-a determinat inițial pe cercetători să grupeze incorect flamingii și porumbeii împreună ca veri evolutivi, deoarece păreau strâns legați pe baza acestei secțiuni neschimbate a ADN-ului. Asta pentru că analiza lor anterioară s-a bazat pe genomul a 48 de specii de păsări.

Dar prin repetarea analizei lor folosind genomul a 363 de specii, a apărut un arbore genealogic mai precis care a mutat porumbeii mai departe de flamingo. Mai mult, folosind șase genomi de înaltă calitate furnizați de Vertebrate Genome Project (VGP) – condus de coautorul Erich Jarvis, profesor de neurobiologie la Universitatea Rockefeller – Mirarab și colegii săi au reușit să detecteze și să explice acest tipar surprinzător.

„Ceea ce este surprinzător este că această perioadă de recombinare suprimată ar putea induce în eroare analiza”, a spus Edward Braun, profesor de biologie la Universitatea din Florida și co-autor corespondent al lucrării PNAS. „Și pentru că ar putea induce în eroare analiza, a fost de fapt detectabil peste 60 de milioane de ani în viitor. Aceasta este partea tare.”

Impactul acestei lucrări se extinde cu mult dincolo de studierea istoriei evolutive a păsărilor. Metodele de calcul inițiate de laboratorul lui Mirarab au devenit unul dintre instrumentele standard pentru reconstrucția arborilor evoluționari pentru o varietate de alte animale.

În continuare, echipa își continuă eforturile de a construi o imagine completă a evoluției păsărilor. Biologii lucrează la secvențierea genomurilor altor specii de păsări, în speranța de a extinde arborele genealogic pentru a include mii de genuri de păsări.

Între timp, oamenii de știință computaționali conduși de Mirarab își perfecționează algoritmii pentru a găzdui seturi și mai mari de date pentru asigurați-vă că analizele din studiile viitoare sunt efectuate cu mare viteză și acuratețe.

(Fluierul)