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EcoSyst microbiome_biogenouest_2017v2

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EcoSyst est un projet fédérateur inter-régional visant à faire émerger l’Ecologie des Systèmes au niveau du Grand Ouest. En s’appuyant sur les forces et compétences en présence, EcoSyst se veut l’incubateur de nouvelles idées et nouveaux projets aux interfaces disciplinaires. En animant une communauté au niveau bi-régional (Bretagne et Pays de la Loire), EcoSyst vise à valoriser les compétences du Grand-Ouest en écologie, environnement, modélisation, bioinformatique et biologie des systèmes et leurs applications sur des espèces d’intérêt en agronomie, mer et santé.

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EcoSyst microbiome_biogenouest_2017v2

  1. 1. De la Biologie à l’Ecologie des Systèmes : comment gérer l’hétérogénéité des données et des outils ? Marie Chevallier – Dynamo / Dyliss Journée Biogenouest « Le Microbiome » 14/12/2016 Marie Chevallier – ECOBIO / IRISA Philippe Vandenkoornhuyse – ECOBIO Anne Siegel – IRISA Damien Eveillard – LINA Journée d’animation des axes Génomique et Bio-Informatique « Le Microbiome »
  2. 2. Sommaire 2  De la « Biologie des Systèmes »  Description  Problématiques et enjeux  Réseaux métaboliques  Réponse logicielle  Vers la « Systems Ecology »  Caractéristiques  Problématiques et enjeux  Le projet EcoSyst
  3. 3. De la Biologie des Systèmes marie.chevallier@univ-rennes1.fr
  4. 4. La Biologie des Systèmes à grande échelle  Emergence de nouvelles technologies  Séquençage massif de génome  Production de données transcriptomiques et métabolomiques à haut débit  Très grande quantité de données brutes et hétérogènes  Comment gérer ces données à grande échelle ? 4 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  5. 5. Paradigme de la Biologie des Systèmes 5 Le tout est plus que la somme des parties De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  6. 6. Réseau métabolique : échelle du génome  Décrire les réactions et métabolites participant au métabolisme d’un organisme  Relations gène-protéine-réaction  Compartiment cellulaire  Réaction de transport  Analyser le comportement d’un organisme 6 Kegg De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  7. 7. Réseau métabolique : illustration 7 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  8. 8. Metabolic network : représentation  Graphe dirigé bipartite  Nœuds : Réactions et métabolites  Arêtes : Relation de consommation / production  SBML (Systems Biology Markup Language)  Format standard (XML)  Problèmes de flexibilité 8 Génome Transcriptome Protéome A B C DR1 R2 Transcription Translation Enzyme 1 Enzyme 2 Métabolite Réaction De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  9. 9. Inconvénients du format SBML 9  Pas adapté pour la représentation de toutes les données  Sections « fourre-tout » difficiles à exploiter De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  10. 10. KEGG, BIGG, Metacyc, The SEED,… R1 : S  A R2 : A  B + C R3 : B  2 D R4 : C  T Métabolite Réaction A B C S T D R1 R2 R3 R4 S -1 A +1 -1 B +1 -1 C +1 -1 D +2 T +1 Reconstruction de réseaux métaboliques 10 1) Construire un "draft" à partir des annotations et de l’alignement du génome  Thiele & Palsson 2010 2) Générer des candidats pour compléter les trous à partir de base de connaissances 4) Réaliser des analyses et des simulations3) Affiner et corriger les candidats manuellement De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  11. 11. Reconstruction de réseaux métaboliques 11 Devrait être simple… De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  12. 12. Reconstruction de réseaux métaboliques 12 Devrait être simple… … mais en pratique, très dépendant de l’organisme étudié De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  13. 13. Workflows pour la reconstruction de réseaux métaboliques  Impliquent un grand nombre d’outils  Besoin d’étapes spécifiques de pré/post-traitement des données  Nécessitent beaucoup de données (connaissances) différentes en entrée  Requièrent de gérer minutieusement les données jusqu’à la fin Standardisation, Hétérogénéité, Traçabilité  Souvent liés à une base de données spécifique 13 Les workflows existants requièrent une forte expertise de la part des utilisateurs Model Seed De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  14. 14. Point du vue technique 14  Difficultés :  Intégration de toutes les données  Application à tout organisme  Utilisabilité des outils  Solutions :  Centralisation et structuration de l’information  Prétraitement des données  Suivi des modifications traçabilité  Modularité  Packaging De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  15. 15. Réponse logicielle aux enjeux identifiés et le projet Complex Biomarkers marie.chevallier@univ-rennes1.fr
  16. 16. Illustration sur les réseaux métaboliques 16 Une Toolbox pour les gouverner tous Une Toolbox pour les trouver Un Format pour les amener tous Et dans le Workflow, les lier ? De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  17. 17. Un environnement unifié 17 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  18. 18. PADMet et AuReMe 18  Objectifs :  Gestion  Traçabilité  Correction  Visualisation  Adaptabilité  Simplicité d’utilisation PADMet Toolbox Image AuReMe PADMet Format PADM De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  19. 19. Management des données dans un workflow 19 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  20. 20. Centralisation et capitalisation sur l’information 20  Structure de données locale  Représenter tous types de données  Intégrer toutes les données  Plus de flexibilité que les formats standards  Représentation mutliple des données à l’export De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  21. 21. Permettre la visualisation et la correction 21 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  22. 22. Workflow et analyse sur mesure 22 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  23. 23. Application : vers l’analyse d’une communauté 23  Résultats : La biosynthèse de la vitamine B5 (Ectocarpus) pourrait s’appuyer sur une bactérie de la paroi pour produire le précurseur de la beta-alanine De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  24. 24. Vers la « Systems Ecology » marie.chevallier@univ-rennes1.fr
  25. 25. Caractéristiques 25 Etude de l’interaction entre communautés d’organismes en fonction des contraintes de l’environnement Pression de sélection environnement Temps long : plusieurs générations Mutli-organismes (différents) De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  26. 26. Vers une définition ? 26 Le tout, soumis à des pressions extérieures, évolue et est encore plus que la somme des parties Ensemble des méthodes et paradigmes qui visent à comprendre et modéliser à l’échelle biomoléculaire comment un ensemble d’organismes évolue sur plusieurs générations en relation avec une pression environnementale De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  27. 27.  … l’Ecologie Ecosystémique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle biomoléculaire Problématique : aller au-delà de… 27 Système Produits du système (protéines, molécules…) Perte Facteurs abiotiques et biotiques De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  28. 28.  … l’Ecologie Ecosystémique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle biomoléculaire Problématique : aller au-delà de… 28 Système Produits du système (protéines, molécules…) Perte Facteurs abiotiques et biotiques De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  29. 29. Problématique : aller au-delà de… 29  … l’Ecologie Ecosystémique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle biomoléculaire  … seulement la modélisation moléculaire  Des lois pour les interactions entre organismes de la communauté (fonction objectif, biomasse) De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  30. 30. Problématique : aller au-delà de… 30  … l’Ecologie Ecosystemique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle bio-moléculaire  … seulement la modélisation moléculaire  Des lois pour les interactions entre organismes de la communauté (fonction objectif, biomasse)  … une structure figée, statique du système  Evolution sur plusieurs génération en fonction des pressions environnementales De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  31. 31. Problématique : aller au-delà de… 31  … l’Ecologie Ecosystemique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle bio-moléculaire  … seulement la modélisation moléculaire  Des lois pour les interactions entre organismes de la communauté (fonction objectif, biomasse)  … une structure figée, statique du système  Evolution sur plusieurs génération en fonction des pressions environnementales De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  32. 32. Problématique : aller au-delà de… 32  … l’Ecologie Ecosystémique  Pas uniquement une boite noire  Aller à l’échelle biomoléculaire  … seulement la modélisation moléculaire  Des lois pour les interactions entre organismes de la communauté (fonction objectif, biomasse)  … une structure figée, statique du système  Evolution sur plusieurs génération en fonction des pressions environnementales Complexe ! De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  33. 33. Le projet EcoSyst Projet d’animation inter-régional naissant Bretagne – Pays de la Loire marie.chevallier@univ-rennes1.fr
  34. 34. EcoSyst Animation  Identifier les acteurs du domaine  Créer une synergie entre ces acteurs  Diffuser la connaissance  Outils et méthodes  Publications et nouveautés 34 Outils et développements  Etat de l’art des outils et méthodes  Benchmark  Domaine applicatif  Identification du besoin  Mise en évidence des points d’innovation  Preuve de concept  Développement communautaire De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  35. 35. Ligne directrice fixée 35 ①Identifier les questions biologiques et méthodologies adaptées ②Associer les outils aux méthodes avec avantages, inconvénients et champs applicatif ③Guider l’utilisation des outils et la génération des données De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  36. 36. Stratégie 36  Complexité liée à la prise en compte de tout les différents facteurs  Décomposition en sous-questions de complexité croissante :  Diversité  Fonction  Expliquer la Diversité par la fonction… … et par une pression évolutive  Modéliser l’impact de l’environnement De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  37. 37. Mesurer la diversité 37  En comparant des communautés d'organismes  Echelle : métagénomes  Méthodes : co-occurrences, abondances  Acteurs identifiés : toutes équipes ayant différents métagénomes  Objectif : industrialisation et mise à disposition d’outils existants De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  38. 38. Comprendre la fonction générale 38  Comprendre des communautés d'organismes  Echelle : la fonction, la régulation  Méthodes : extension de workflows existants  Prospectif : comprendre quelle est la fonction d'un écosystème et le lien avec l'environnement  Acteurs identifiés : équipe travaillant sur pucerons, aliments fermentés, algues, plancton, microbiote humain, holobionte plantes…  Objectif : Développement et/ou encapsulation d’outils De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  39. 39. Expliquer la diversité par la fonction 39  Comprendre pourquoi des transformations se font dans une direction donnée par pression évolutive  Echelle : individus, données de séquençage  Prospectif : techniques de séquençage  Exemple jouet : microbiome de plantes  Acteurs identifiés : Ecobio, Roscoff/algues…  Objectif : mise en contact d’acteurs pour le design de nouvelles méthodes et paradigmes De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  40. 40. Faire la jonction entre diversité et environnement 40  Modéliser l’impact de l'environnement sur la diversité via la fonction  Exemple jouet : TARA, holobiontes algues  Acteurs identifiés : équipe travaillant sur aliments fermentés, Roscoff-plancton/TARA…  Objectif : identifier des centres d’intérêts communs De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  41. 41. Point de vue technique  Des problématiques communes aux problématiques liées à la Biologie des Systèmes :  Intégration de données Omiques  Facilité d’utilisation et accessibilité  Centralisation et structuration de l’information  Pré-traitement des données  Suivi des modifications et traçabilité  Capitaliser sur expérience  Nouvelles problématiques :  Anticiper les nouvelles données  Travailler avec des méthodes et outils en conception  Animation et capitaliser sur la communauté 41 De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  42. 42. Ambitions 42  Réflexion prospective  Journée d’animation  Networking  Article  Outils adaptés pour « Systems Ecology »  Vers une communauté inter-régionale motrice pour l’innovation conceptuelle et méthodologique autour de la « Systems Ecology » De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  43. 43. Parlez-nous de vous ! 43  Vos données  Vos problématiques  Vos méthodologies et outils  Votre définition de « Systems Ecology » De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  44. 44. Parlez-nous de vous ! 44  Contactez-moi : Marie Chevallier marie.chevallier@univ-rennes1.fr + 33 2 99 84 71 60 IRISA-INRIA, Campus de Beaulieu Bureau A113 263 Avenue du Général Leclerc 35042 Rennes - France Visites sur site possibles… et même souhaitées !  Synthèse au Printemps : Journée d’animation de l’inter-communauté EcoSyst ECOBIO - UMR 6553 Avenue du Général Leclerc Campus de Beaulieu 35042 Rennes – France De la Biologie des Systèmes… Réponse logicielle …Vers la Systems Ecology Projet EcoSyst
  45. 45. Marie Chevallier Philippe Vandenkoornhuyse Anne Siegel Damien Eveillard Parlez-nous de vous ! marie.chevallier@univ-rennes1.fr

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