Крис Эллис, после нескольких лет работы в частном секторе, изучающем неизвестное происхождение нейродегенеративных заболеваний мозга, таких как болезнь Альцгеймера, считает, что один из ключей к разгадке этой тайны находится в Национальной лаборатории Ок-Риджа: самом мощном суперкомпьютере в мире.
Крис Эллис применяет свой опыт в вычислительной биологии и микробиологии, чтобы исследовать микробиомы человека и почвы для выявления дегенеративных заболеваний головного мозга, а также путей улучшения биоэнергетических культур.
Эллис, вычислительный микробиолог из отдела биологических наук, надеется доказать теорию, которой уделяется больше внимания в биомедицинской области – что микробы могут играть ключевую роль в развитии болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.
Эллис и его коллеги из ORNL и Центра наук о здоровье Университета Теннесси создали Консорциум MIND – Микробиом идиопатической нейродегенеративной болезни – для определения того, как микробиом организма может быть связан с такими болезненными состояниями, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и БАС.
Первый проект консорциума заключается в сборе образцов крови, слюны и стула у 60 пациентов – 15 с болезнью Альцгеймера, 15 с болезнью Паркинсона, 15 с БАС и 15 контрольных пациентов. Образцы будут тщательно проанализированы в ORNL для идентификации и метагеномного / метатранскриптомного профилирования микробов.
Данные, которые Эллис рассчитывает достичь от 45 до 50 терабайт, будут поступать в суперкомпьютер Summit, являющийся частью вычислительного центра Лидерства Оук-Риджа, Пользовательского центра Министерства науки и науки США в ORNL. Команда будет использовать машинное обучение и объяснимый ИИ с целью выяснить, как микробиом влияет на возникновение и прогрессирование нейродегенеративного заболевания.
Исследователи надеются выяснить, могут ли микробы колонизировать мозг. Их рабочая гипотеза заключается в том, что микроб или микробы являются возбудителем нейродегенеративного заболевания, что, в свою очередь, вызывает образование бета-амилоидных бляшек, участвующих в нарушении передачи сигналов нейронов у пациентов с болезнью Альцгеймера.
«В последнее время появилось много публикаций, дающих дразнящие подсказки о том, что микробиом играет важную роль в этих болезненных состояниях», – сказал Эллис. В одной статье предполагается, что P. gingivalis , бактерии, связанные с заболеванием десен, могут перемещаться изо рта в мозг и разрушать нервные клетки. Другие предполагают наличие вируса герпеса, который, как предполагают исследователи, может вызывать образование бляшек в мозгу в качестве защитного механизма.
Для Эллис работа является личной. Как и во многих семьях, его тронуло медленное падение старшего с болезнью Альцгеймера. Эллис потерял свою бабушку из-за болезни – ту же бабушку, которая подарила ему свой первый компьютер в детстве и заставила его пообещать использовать его для чего-то, кроме видеоигр. Эллис сдержал свое обещание, научившись программировать.
В том же году в пятом классе Эллис также получил микроскоп на Рождество. Он начал использовать 16-килобайтный компьютер Texas Instruments для записи простых наблюдений, сделанных им с помощью детского прицела. «Не удивительно, что я вырос, чтобы стать вычислительным микробиологом», – рассмеялся Эллис.
Он получил степень бакалавра и доктора наук в области микробиологии в Университете штата Северная Каролина, а также в области биотехнологии и получил стипендию Национального института здравоохранения в области биотехнологии. В качестве постдока в Университете Дьюка Эллис изучал микробиом чрезвычайно недоношенных детей. Затем он проработал пять лет в Eli Lilly and Company, возглавляя группу по микробиологии в организации, занимающейся исследованиями и разработками биопродуктов.
Глубокое обучение и почвенный микробиом
Эллис работает над двумя другими крупными проектами с участием микробиома – это в сфере биоэнергетики в ORNL. Как часть научной области «Интерфейсы растение-микроб», он применяет свои знания в области вычислительной биологии и микробиологии к микробиому ризосферы и сравнивает его с близлежащей почвой вокруг дерева тополя, которая определена как ключевая культура для разработки современного биотоплива. ,
Он и его коллеги, работающие в рамках Центра инноваций в области биоэнергетики при ORNL, также получили грант на секвенирование в 10 терабайт от Объединенного института генома Министерства энергетики США для анализа образцов ризосферы и почвы проса – еще одной целевой биоэнергетической культуры. Ожидается, что это будет самая глубокая работа по микробиому почвы на сегодняшний день. Эллис объяснил.
«Микробное разнообразие почвы замечательное. Мы культивировали лишь небольшую часть микроорганизмов, которые живут в этой среде, и еще меньше понимаем функциональную роль кодируемых ими генов. Это глубокое секвенирование, которое стало возможным благодаря JGI и CBI, даст нам более глубокое понимание как структуры, так и функции микробиома в почве в целом и, в частности, в распределении », – добавил он.
«Я действительно заинтересован в том, чтобы объединить многоатомные процессы, такие как метагеномика, метатранскриптомика, метаболомика и протеомика, вместе и искать закономерности в шуме с помощью машинного обучения или объяснимого ИИ, в масштабе, который раньше никто не решал», – сказал Эллис. ,
Именно способности суперкомпьютера впервые привлекли Эллис в Ок-Ридж.
«Ближе к концу моего времени в Лилли я осознал, что если мы действительно хотим продолжить этот вид искусственного интеллекта на микробиоме и сделать что-то очень амбициозное, нам понадобится очень большой компьютер», – сказал он. Эллис проработал в ORNL около двух лет, в течение которых он связывался с коллегами из нескольких смежных дисциплин, чтобы предлагать и финансировать проекты ИИ на основе отбора проб микробиома.
«Я работаю с потрясающими людьми, которые здесь замечательные сотрудники», – сказал Эллис. «С многочисленными дисциплинами в области микробов, представленными в ORNL, это похоже на сам микробиом».
«Потенциал здесь огромен», – подчеркнул Эллис. «И это потому, что у лаборатории было предвидение сделать эти невероятные инвестиции в вычислительную инфраструктуру. По мере продвижения науки это становится узким местом для многих различных отраслей. Но здесь, в ORNL, мы можем мечтать о многом, потому что у нас есть ресурсы, чтобы иметь возможность мечтать о многом ».
Благодаря своим основным возможностям и опыту, ORNL «обладает уникальными возможностями для оказания значительного влияния на эти очень важные болезненные состояния», сказал Эллис, возвращаясь к зарождающемуся проекту MIND.
«Моя бабушка вела хороший бой, но мы постепенно ее теряли. Столько людей, с которыми я встречался за эти годы, имеют такой же опыт и говорят мне, что они действительно надеются на прорыв », – сказал Эллис. «Для пациента все знают, что это изнурительное заболевание, но мало кто понимает, насколько оно изнурительно для семьи и лиц, осуществляющих уход. И поэтому я надеюсь, что мы найдем ассоциацию, которая может привести к прорыву ».