Spectroscape enables real-time query and visualization of a spectral archive in proteomics

Spectroscape enables real-time query and visualization of a spectral archive in proteomics - Nature Communications

本研究の学術的背景や問いは、プロテオミクス（生体内の全タンパク質を研究する学問）において、大量のペプチドタンデム質量スペクトラ（ペプチドの質量を測定する方法）を類似性に基づいて整理するスペクトルアーカイブの活用です。これにより、誤りの修正や新たな発見の可能性があります。しかし、スペクトルアーカイブの活用は計算量が大きく、一般的なプロテオミクス研究者にはアクセスが難しいという問題があります。また、スペクトルクラスタリングの結果は人間のユーザーには見えず、さらに他の計算ツールによって分析する必要があります。

本研究の目的は、Spectroscapeというプラットフォームを提案し、スペクトルアーカイブのリアルタイムなクエリと可視化を可能にすることです。また、学術的な独自性と創造性は、Facebook AI Similarity Search（FAISS）ライブラリのアルゴリズムを適応し、高次元空間でスペクトルを近傍にグループ化することで、リアルタイムのスペクトルクラスタリングを可能にしています。

本研究の着想は、プロテオミクスデータの大量生成とそのデータの再利用の困難さから生まれました。特に、スペクトルアーカイブという新たなデータ整理のパラダイムが提案され、スペクトルを類似性に基づいてクラスタリングすることで、データの再利用の可能性を最大化することが提案されています。しかし、スペクトルアーカイブの活用は計算量が大きく、一般的なプロテオミクス研究者にはアクセスが難しいという問題がありました。これらの問題を解決するために、本研究ではSpectroscapeという新しいプラットフォームを提案しています。

本研究では、Spectroscapeというプラットフォームを提案し、その応用可能性を示しました。具体的には、Spectroscapeは、ユーザーが提供する任意のクエリスペクトルに対して、リポジトリ全体での近似最近傍を効率的に取得し、クエリと近傍間の正確なペアワイズ距離を計算することでリアルタイムのスペクトルクラスタリングを行います。その結果、ユーザーはウェブベースのインタラクティブなユーザーインターフェースで結果を視覚化することができます。

本研究の有効性は、Spectroscapeがリアルタイムのスペクトルクラスタリングを可能にし、ユーザーが結果を視覚化できることで検証されました。具体的には、Spectroscapeは、スペクトルの類似性に基づいてデータリポジトリ全体を検索し、クエリに最もマッチするスペクトルのリストだけでなく、その近傍のクラスターの詳細な構造を即座に受け取ることができます。