Nathaniel Street om att avkoda trädens hemligheter med big data

Nathaniel Streets forskning har blivit nästan helt datorbaserad. ”Bioinformatik har blivit kärnan i det jag gör”, säger han.

Bild: Samuel Pettersson

– Bioinformatik har blivit kärnan i det jag gör, säger han. Jag gillar dessa stora, brusiga datamängder och utmaningen att hitta signaler i dem och mejsla fram biologisk förståelse ur all denna data.

Nathaniel Street är professor vid Institutionen för fysiologisk botanik vid Umeå universitet och Umeå Plant Science Centre. Han arbetar med arter som gran, tall och asp – träd som dominerar de nordliga skogarna. Hans mål är att förstå komplexa egenskaper som styrs av tusentals gener, exempelvis tillväxt, stressrespons och kemiska försvar mot insekter och djur.

Bild:Samuel Pettersson

Biologisk forskning genererar idag allt större datamängder, vilket gör bioinformatiker mycket eftertraktade.

En asp som älgen inte gillar

– Min dröm vore att skapa en asp som älgar inte tycker om att äta. Det skulle vara en framgångsrik art för skogsbruket.

Egenskaper som stressrespons är avgörande för skogsbruk och klimatanpassning, men att studera dem kräver analys av enorma datamängder. Nathaniel Streets fascination för big data började redan under doktorandstudierna.

– Det var faktiskt det som tog mig till Sverige, säger han. I mitt projekt började vi mäta genuttryck och jag kom till Umeå där andra doktorander visade mig hur man gör dessa analyser.

Hans första besök i Umeå gjorde att han ville återvända, och några år senare kom han tillbaka som postdoktor.

”En av de bästa platserna för trädforskning”

– Jag gillar verkligen forskningsmiljön här. Jag har en passion för att studera träd och Umeå är en av de bästa platserna i världen för trädforskning. Jag trivs också med livet här, jag gillar norra Sverige och livsstilen här.

Bild:Samuel Pettersson

I Nathaniel Streets grupp håller en person i labbet de övriga nio sysselsatta med att analysera biologiska data. Här i datalabbet tillsammans med gruppmedlemmarna Edoardo Piombo och Elena van Zalen.

Under de senaste tio åren har bioinformatikområdet vuxit explosionsartat. Biologisk forskning producerar i dag gigantiska datamängder, vilket innebär miljontals till miljarder datapunkter från experiment.

– Det är inget man kan öppna i ett Excel-ark eller ögna igenom för hand. Vi måste köra datan på en superdator och även då tar det tid att bearbeta.

Extremt stora datamängder

Bioinformatik har förändrat det vetenskapliga arbetet i grunden.

– I dag har vi en person i labbet som producerar data för de andra nio i min forskargrupp att analysera, säger Nathaniel Street. Det är typiskt för biologin just nu. Det är väldigt enkelt att generera enorma datamängder – utmaningen är att omvandla dem till meningsfull kunskap.

En stor utmaning med att studera träd i nordliga skogar är storleken på deras genom. Granens genom är ungefär åtta gånger större än människans. Att sekvensera och sätta ihop granens genom har därför varit ett enormt arbete.

Bild:Samuel Pettersson

Nathaniel Street i labbet tillsammans med Amanda Mikko och Sara Rydman. Hans forskning om gran, tall och asp syftar till att förstå komplexa egenskaper som styrs av tusentals gener, såsom tillväxthastighet, stressrespons och kemiska försvar mot insekter och djur.

Nästa steg är att förstå geners funktion, att koppla skillnader mellan individer i populationer till skillnader i deras genom och egenskaper, som hur de ser ut eller växer. För att lösa detta pussel är bioinformatiska verktyg avgörande.

Många gener styr en enda egenskap

– Många biologiska egenskaper styrs av ett stort antal gener. Människans längd är det klassiska exemplet. Nästan varje gen i människans genom har en liten påverkan på längden. Det är en svag signal att upptäcka – man behöver data från många individer för att se vilken påverkan en viss gen har. Det är samma sak för många egenskaper hos både människor och växter.

Genom målmedvetet arbete har Nathaniel Streets forskargrupp kommit långt i att förstå genomerna hos de nordliga trädarter de studerar. När det gäller de bittra ämnen som träden producerar för att skydda sig mot insekter och betande djur har teamet identifierat cirka 30 gener som är involverade.

– Vi har nu börjat göra CRISPR-Cas9-knockouts för att kunna bekräfta att generna vi hittat faktiskt gör det vi tror att de gör.

Ökad användning av maskininlärning och AI

Hur tror han att bioinformatikområdet kommer att utvecklas framöver?

– Det kommer att fortsätta vara centralt för biologin. Det kommer bara att bli mer och mer data och komplexitet. Jag tror också att vi kommer att se en ökad användning av maskininlärning och AI-metoder inom bioinformatik.

Tidigare behövde man några personer som kunde bioinformatik – nu har det blivit så att alla behöver kunna bioinformatik.

– AI och maskininlärning används redan, men det kommer definitivt inte att göra människor överflödiga. De gör analyserna kraftfullare, men vi behöver fortfarande människor som tolkar resultaten.

Bioinformatiker är mycket eftertraktade och kommer att fortsätta vara det, säger Nathaniel Street. Och det är inte bara inom forskning som de behövs – även sjukhus, läkemedelsföretag och industrin kräver den kompetensen.

– Tidigare behövde man några personer som kunde bioinformatik – nu har det blivit så att alla behöver kunna bioinformatik.

Man kan tro att en bioinformatiker sitter fastklistrad vid datorn hela dagen. Så är det inte. De flesta är involverade i flera projekt samtidigt och arbetet är väldigt samarbetsinriktat, säger Nathaniel Street.

– Man har många möten med andra forskare. Man lägger också mycket tid på att titta på resultaten, diskutera och söka i litteraturen för att tolka vad man ser i datan.