Ανάπτυξη και διαχείριση υπολογιστικών εργαλείων για την επεξεργασία και συνδυαστική ανάλυση μεταβολομικών προτύπων

Abstract

Metabolomics analysis workflow is a multistep procedure consisting of a variety of different modes in order to achieve a systems level perspective of metabolism and to reach a point of understanding or to discover biomarkers. As a rapidly growing omic analysis, it has been used extensively to explore the dynamic response of biological systems in several diseases/disorders and contexts. Metabolomic analysis workflow that concerns analysis using MS is divided into pre-analytical, analytical and computational parts. These three different parts are closely connected and are characterized by steps that arise as a natural consequence of every previous one. Due to the huge amount and the complexity of the data that is produced from those experiments, there is need for software packages that provide efficient analysis and automatic data storage, as the automation of the metabolomic workflow can contribute to the reproducibility of data analysis and the minimization of error, while increasing the efficiency of the high-throughput analysis. Therefore, it has become commonplace in a wide variety of disciplines and there is an intense need for development of software suites that provide the user with a less complicated and invalid analysis. These suites must integrate meta-analysis, a standardized data normalization method and a safe repository for all types of biological samples. In the case of the Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) metabolomics, due to the complexity of the analysis, multiple procedures that are essential for the metabolite identification require special manipulation. Moreover, metabolomic analysis produces a vast amount of unidentified compound data, so there is a need for unknown peak identification methods.While a number of tools offer access to datasets, constantly providing new releases for data processing and also the fact that considerable progress has been made in that area, there is no computational platform that emerges as a standardized approach which includes specialized normalization methods for GC-MS metabolomic analysis and that incorporates the metabolic network analysis into data interpretation and unknown peak identification. To address these issues, as the datasets obtained from metabolomics experiments still remain extremely large and dense, we have implemented M-IOLITE, a computational suite for the efficient and automatic analysis of high-throughput metabolomic experiments. M-IOLITE is software which streamlines metabolomic analysis and reduces complexity enabling the use of a friendly interface for processing, validating and annotating data. It integrates specialized normalization methods, a safe data repository and a peak library providing through its pipeline a useful tool, which enables rapid and accurate analysis of the metabolomic profiles into an interactive system.

Η μεταβολομική ανάλυση χαρακτηρίζεται από ποικίλα διαφορετικά στάδια, που στοχεύουν στην πλήρη κατανόηση του μεταβολισμού ενός βιολογικού συστήματος. Όμως, το διάγραμμα ροής της μεταβολομικής ανάλυσης είναι πολύπλοκο και αποτελείται από πολλαπλά βήματα. Συντίθεται από τρία διαφορετικά μέρη (προ-αναλυτικό, αναλυτικό, υπολογιστικό), τα οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένα μεταξύ τους και κάθε βήμα αναδύεται ως φυσική συνέπεια του προηγούμενου. Λόγω του μεγάλου όγκου και της περιπλοκότητας των δεδομένων που παράγονται από τέτοιου είδους πειράματα, γεννάται η ανάγκη δημιουργίας υπολογιστικών εργαλείων τα οποία θα παρέχουν προτυποποιημένη διαδικασία ανάλυσης, επεξεργασίας και αποθήκευσης των δεδομένων αυτών. Έτσι, καθίσταται αναγκαία η ανάπτυξη λογισμικών που θα παρέχουν στο χρήστη όσο λιγότερο περίπλοκες αλλά και έγκυρες διαδικασίες. Τα συγκεκριμένα λογισμικά, λόγω της πολυπλοκότητας που χαρακτηρίζει την ανάλυση των δεδομένων θα πρέπει να διαθέτουν κατάλληλες μεθόδους, οι οποίες θα σχετίζονται με όλα τα επιμέρους στάδια του υπολογιστικού μέρους, θα απλοποιούν και θα βελτιστοποιούν τις εκάστοτε διαδικασίες. Για τη διαχείριση και για την προώθηση αυτών των ζητημάτων, καθώς τα δεδομένα που προέρχονται από τα πειράματα μεταβολομικής εξακολουθούν να παραμένουν πολύ μεγάλα και δύσκολα στην επεξεργασία, σχεδιάστηκε η M-IOLITE. Το συγκεκριμένο λογισμικό είναι ένα υπολογιστικό εργαλείο που παρέχει αποδοτικές και αυτόματες αναλύσεις για πειράματα μεταβολομικής. Μέσα από το διάγραμμα ροής της πλατφόρμας αποσκοπείται η προτυποποίηση και η βελτιστοποίηση των μεταβολομικών αναλύσεων μέσα από περιβάλλον διαδραστικό και φιλικό προς τον χρήστη, που επεξεργάζεται, επικυρώνει και παρέχει σχολιασμό των δεδομένων.Αρχικά, για την εκκίνηση της ανάλυσης, η M-IOLITE παρέχει έγκυρη βιβλιοθήκη κορυφών, μέσω της οποίας μπορεί να διεξαχθεί η ταυτοποίηση των μεταβολιτών, καθώς η όλη διαδικασία χρήζει ιδιαίτερης μεταχείρισης. Στη συνέχεια, προσφέρει ειδικές μεθόδους κανονικοποίησης που επιτρέπουν, την συγκρισιμότητα των δεδομένων και την αποφυγή ενσωμάτωσης σφαλμάτων, λόγω πειραματικών αποκλίσεων. Επίσης, σημαντικός παράγοντας είναι η προσφορά μεθόδων φιλτραρίσματος, ώστε να απομακρυνθούν τα μη έγκυρα δεδομένα, των οποίων η παραμονή στην μελέτη θα αλλοιώσει το βιολογικό αποτέλεσμα και κατά συνέπεια την αξιοπιστία ολόκληρου του πειράματος. Τα παραπάνω συμπληρώνει, ένα πρότυπο και ασφαλές καταθετήριο γνώσης που μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα ποικίλων βιολογικών συστημάτων, έτσι ώστε να επιτρέπεται τόσο η φύλαξη των δεδομένων, όσο και η προώθηση της μετα-ανάλυσης των δεδομένων. Επιπλέον, διαθέτει κατάλληλη μέθοδο ταυτοποίησης άγνωστων μορίων, που στηρίζονται στο πρότυπο θραύσης τους, καθότι πολλά από τα μόρια που εμφανίζονται στις μελέτες είναι αγνώστου ταυτότητας.