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Assessing phylodynamic methods in silico and in vitro

English title Assessing phylodynamic methods in silico and in vitro
Applicant Regoes Roland
Number 179170
Funding scheme Project funding
Research institution Gruppe Theoretische Biologie Departement Umweltsystemwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Ecology
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2023
Approved amount 572'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Experimental Microbiology

Keywords (6)

population genetics; phylodynamics; population biology; mathematical modelling; bacteriophage; microbial evolution

Lay Summary (German)

Lead
Phylodynamische Methoden werden anhand von experimentellen Daten getestet
Lay summary
Heutzutage werden viele Organismen sequenziert. Genetische Sequenzen enthalten Information über die evolutionäre Geschichte dieser Organismen und sogar deren Demographie. Gepaart mit geographischen Angaben können dann Rückschlüsse auf Migration in der Vergangenheit gezogen werden. Methoden, mit denen man die Geschichte einer Population aus den Sequenzen herauslesen kann, werden unter dem Begriff der Phylodynamik zusammengefasst.

Phylodynamische Methoden werden angewendet, um die Geschichte ökologischer Systeme zu verstehen oder um  makroevolutionäre Fragestellungen zu beantworten. Auch in der Epidemiologie finden sie oft Anwendung, zum Beispiel mit dem Ziel, den Ursprung von Infektionen zu orten oder ihr Verbreitungspotential abzuschätzen.

Diese Methoden werden meistens an Hand von Daten validiert, die auf dem Computer generiert wurden. Validierung an empirisch erhobenen Daten ist rar, vor allem, weil das eine unabhängige Bestimmung demographischer Parameter erfordert. In diesem Forschungsprojekt möchten wir nun genau das machen: phylodynamische Methoden empirisch testen.

Wir planen Experimente mit Bakteriophagen - Viren, die in Bakterien replizieren. Genauer werden wir die Bakteriophage PhiX174 benützen, die in Escherichia coli repliziert. Wir werden experimentell verschiedene demographische und Migrations-Szenarien simulieren. Insbesondere werden wir Szenarien nachstellen, in denen sich die Populationsgrösse über die Zeit ändert oder in denen Bakteriophagen mit kontrollierten Raten von einer "geographische Region" zur anderen wandern. Am Ende dieser Experimente werden die Bakteriophagen-Populationen sequenziert, mit phylodynamischen Methoden analysiert und die so geschätzten populationsdynamischen Parameter mit den tatsächliche Raten verglichen.

Dieses Projekt wird existierende phylodynamische Methoden validieren. Falls Probleme dieser Methoden aufgezeigt werden können, werden wir Korrekturen anhand unserer experimentellen Daten erarbeiten.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.06.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Phylodynamic methods allow the inference of population dynamical parameters from sequence data, and are widely used in evolutionary biology, epidemiology, and even to understand the within-host dynamics of infectious agents. But most of these methods have not been validated with biological data.I propose to assess phylodynamic methods in silico and in vitro. Specifically, we willdevelop a simulation of phage evolution and an experimental system consisting of bacteriophages and their host bacteria. We will sequence populations of the phage fX174 that will have evolved on E. coli in silico and in vitro under four population dynamical scenarios:- "control": in this scenario, we will evolve phages on bacteria, keeping the initial phage and bacterial population size constant across time- "skyline": here, we will change the population size over time- "root": entails the spread of phages from a population of origin to many other populations- "migration": this scenario involves the replication of phages in three bacterial populations with uni- and bidirectional phage migration between these three populationsThe sequence data will be subjected to phylodynamic analysis, the results of which will becompared with the true population dynamics. In particular, we will investigate if the timingand extent of population size changes are correctly determined, if the evolutionary origin of the phage population is identified, and if migration rates between populations are accurately estimated.This project will either corroborate the validity of phylodynamic analysis - which, giventheir wide-spread use, would be very timely - or reveal biases or inaccuracies in the phylodynamic inference scheme that can eventually be corrected in future incarnations of these algorithms.
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