Surveiller l'environnement grâce à l'intelligence artificielle
Publié par Isabelle le 20/12/2018 à 14:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
Des chercheurs de l'UNIGE ont développé une méthode qui allie la génomique et les outils d'apprentissage automatique pour explorer la biodiversité microbienne des écosystèmes.


Bioindication par les micro-organismes de l'état de santé des écosystèmes. © Yvain Coudert

Les micro-organismes remplissent des fonctions clés dans les écosystèmes et leur diversité reflète l'état de santé de leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...). Or, ils sont encore largement sous-exploités dans les programmes de biosurveillance actuels, car difficilement identifiables. Des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Genève (UNIGE) ont récemment mis au point (Graphie) une approche combinant deux technologies de pointe pour pallier ce manque. Ils se servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) d'outils génomiques pour séquencer l'ADN des micro-organismes dans les prélèvements, puis exploitent cette masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) considérable de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) grâce à l'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de...). Ils construisent ainsi des modèles prédictifs capables d'effectuer un diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et...) de santé des écosystèmes à large échelle et d'identifier les espèces qui remplissent des fonctions importantes. Cette nouvelle approche, publiée dans la revue Trends in Microbiology, permettra d'augmenter considérablement la capacité d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) d'écosystèmes étendus et de diminuer le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'analyse, pour des programmes de biosurveillance de routine beaucoup plus performants.

Surveiller l'état de santé des écosystèmes revêt une importance cruciale dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent....) de développement durable (Le développement durable (traduction de Sustainable development) est une nouvelle conception de l'intérêt public, appliquée à la croissance économique et reconsidérée à l'échelle...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) croissante exercée par l'humain sur l'environnement. Différentes espèces de micro-organismes sensibles aux changements qui affectent leur milieu sont utilisées comme bio-indicateurs pour le suivi de la qualité de l'environnement. Or, leur identification morphologique nécessite beaucoup de temps et d'expertise. "Il y a un an, nous avons pu établir un indice de la qualité de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) basé uniquement sur les séquences d'ADN d'algues unicellulaires présentes dans les prélèvements, sans qu'il soit nécessaire d'en identifier visuellement chaque espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de...)", explique Jan Pawlowski, professeur au Département de génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) et évolution de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Utiliser des séquences d'ADN sans devoir les identifier

Cet outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions...) génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du génome, et non plus limitée à celle d'un seul...) permet de décrire rapidement et très précisément des communautés biologiques peuplant un environnement. Cependant, une large proportion des données ne peut pas être utilisée pour effectuer des diagnostics de santé des milieux, parce que bon nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de séquences d'ADN ne sont pas référencées dans les base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou « BDD ») est un lot d'informations stockées dans un...) existantes. Les espèces qui détiennent ces séquences demeurent donc inconnues, ainsi que leur rôle écologique. "Afin d'exploiter la totalité des données de génomique environnementale, soit l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de la biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie en considérant la diversité des écosystèmes, des...) des échantillons, nous avons eu recours à un algorithme d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de...) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements...)", note Tristan Cordier, membre du groupe genevois et premier auteur de l'étude.

Les biologistes ont utilisé des échantillons de différents statuts de qualité écologique connus, allant de bon à mauvais, dont ils ont séquencé l'ADN. La combinaison (Une combinaison peut être :) de ces informations leur a permis de constituer un système de référence avec les données de chaque échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). "Un modèle prédictif a ensuite été élaboré avec cet algorithme, à partir de données d'apprentissage. Celles-ci comprennent les données des diagnostics de référence et celles du séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide...) d'espèces inconnues", expose Jan Pawlowski. Ce modèle est affiné et validé au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la...) et à mesure en incluant de nouveaux échantillons de référence au jeu de données existant.

Découvrir de nouveaux bio-indicateurs

La combinaison de ces deux technologies de pointe permet d'obtenir des valeurs écologiques pour les séquences d'ADN sans devoir les identifier. Des espèces de micro-organismes, déjà décrites ou non, remplissant des fonctions importantes peuvent être découvertes grâce à cette approche, ainsi que de nouveaux bio-indicateurs. "Notre recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) partage des points communs avec celle menée sur le microbiome humain. Les deux visent en effet à démêler des communautés microbiennes et à identifier des biomarqueurs pouvant servir de puissants outils de diagnostic pour détecter la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...) environnementale ou des maladies humaines", conclut Tristan Cordier.

Contact chercheurs:
- Jan Pawlowski - Professeur associé au Département de génétique et évolution - Faculté des sciences
- Tristan Cordier - Collaborateur scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) au Département de génétique et évolution - Faculté des sciences

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans - Trends in Microbiology, DOI: 10.1016/j.tim.2018.10.012
Page générée en 1.664 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique