Biodiversity underpins all life support systems on Earth. The variety of animals, plants and microorganisms, including the genetic diversity within and between species, provide us with air to breathe, food to eat and medicines to consume. The present and future of humanity depends on our ability to understand and protect the diversity of life on our planet.

For years, biodiversity has been organised at three different levels: ecosystems, species and genes. However, these traditional models fail to capture how life is related at the most fundamental level – cells. Studying biodiversity at this level of hierarchy can unlock profound new insights into the evolution of living organisms and usher in a new generation of advanced therapies, technologies, and conservation strategies.

To understand biodiversity at the cellular level, researchers have to create detailed maps of all the different types of cells in many different organisms, also known as a cell atlas. This requires collecting species in their natural habitat and finding ways of sequencing all the transcripts expressed inside each of these cells. Doing this at scale is a monumental effort requiring large-scale international collaborations that rival the ambition and scope of ‘moonshot’ initiatives such as the Human Genome Project in the early 21st century, and more recently, the Earth BioGenome and Human Cell Atlas initiatives. 
One of the main hurdles of creating cell atlases for many different species is that scientists have yet to agree on a standard set of methodologies they can use to make comparing cell types across different species feasible in the first place. After addressing this, the next big challenge to overcome is how to process and store the huge amounts of data generated by global efforts in the field. This data would also need to be accessible to the scientific community.

Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona have begun efforts to tackle these first two steps. Led by ICREA Research Professor Arnau Sebé-Pedrós, the researchers will develop, test and benchmark techniques required to chart cell types in many different species. Backed by a $3.8 million grant from the Gordon and Betty Moore Foundation, the project will lay the groundwork for the ambitious quest to chart the diversity of cell types on Earth.

"Our planet has a vast living tapestry of cells, each with specialized functions and structures and a unique evolutionary story. This funding is a bold first step towards explaining each type of cell’s journey on Earth, knowledge that can illuminate how these foundational units of life have evolved over time and provide new insights into the functional diversity and interactions between organisms” explains Dr. Sebe Pedros. 

The Herculean Task Ahead

Rapid advancements in sequencing technologies such as single-cell RNA sequencing have made possible creating cell atlases at scale. Cell atlases allow researchers to interrogate what each individual cells are doing at any given moment. Every cell in our body contains the same DNA, but different cells use different parts of this DNA. Which parts a cell uses determines what type of cell it is (like a skin cell, blood cell, or nerve cell) and what job it does in the body.

RNA is the messenger that carries information from DNA for making proteins. By sequencing the RNA in a single cell, we can figure out which genes are active in that cell. This is like knowing what instructions it's following and, ultimately, uncover the identity of that cell. By using single-cell RNA sequencing, researchers can listen to the stories of many thousands of individual cells one by one. This helps them understand what each cell is doing – information then used to create detailed maps of cell types, also known as a cell atlas.

However, there is no universal solution for creating cell atlases across animal, plant, fungus or other lifeforms. Each species will have specific requirements for sample collection, preservation, processing and data analysis. Using one method can destroy the RNA in cells of another species and vice versa, leading to the creation of inaccurate maps. Another challenge is that the nature of the data collected means it is not possible to compare with other cell atlases. 

To address these challenges, the researchers will use the funding to test and benchmark methodologies for profiling single-cell atlases in non-model organisms, creating a "decision tree" for approaching new species. This will be led by a team led by Dr. Sebé-Pedrós from the Centre for Genomic Regulation alongside Prof. Tom Richards (Oxford University), Dr. Heather Marlow (Chicago University), Dr. Jordi Solana (Oxford Brookes University) and Dr. Lauren Saunders (Heidelberg University).

Dr. Sebe Pedros will also work with Dr. Irene Papatheodorou (EBI/Earlham Institute) to tackle the challenge of data analysis, integration and storage/accessibility. Each research group around the world is likely to be studying different cell types in different species. Standardised pipelines ensure that everyone processes their data in the same way, so when they combine their data, it fits together and can enable accurate and meaningful comparisons between studies. The team will also create a comprehensive database for storing these cell atlases, fostering worldwide knowledge sharing and collaboration.

The Biodiversity Cell Atlas

The ultimate goal of Dr. Sebe Pedros’ efforts is to lay the groundwork for the Biodiversity Cell Atlas. This is an emerging international initiative which aims to coordinate global efforts to chart cell types across different many different species, first articulated by the scientific community at a meeting at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona in May 2023. 

Funded by the Wellcome Trust, it was organised by Arnau Sebé-Pedrós and Roderic Guigó (Centre for Genomic Regulation), Mara Lawniczak (Wellcome Sanger Institute), Detlev Arendt (European Molecular Biology Laboratory), Amos Tanay (Weizmann Institute of Science) and Irene Papatheodorou (EMBL's European Bioinformatics Institute).

The project is a joint effort of different research communities that develop and apply single-cell sequencing technology to build cell atlases of model organisms, sequence genomes of a diversity of species and compare single-cell genomics datasets. Ultimately, the single-cell transcriptomic data generated by the Biodiversity Cell Atlas will be integrated with other datasets, for example information on how accessible certain parts of DNA (chromatin) are in the cells, or the three-dimensional structure of the genome. This will provide a comprehensive understanding of how genes are regulated and how cell types emerge.

A New Voyage of Biological Discovery

The creation of a Biodiversity Cell Atlas would have profound implications for many different areas ranging from industrial applications, drug discovery, design of synthetic biological systems, and the understanding of the evolution of life. Comparing cell types across species and life stages, has already revealed important insights that the Biodiversity Cell Atlas can eventually support and expand upon.

For example, Dr. Sebé-Pedrós recently created the first cell atlases for placozoans, tiny sea creatures that first originated on Earth 800 million years ago. Comparing the cell atlases to other animals such as cnidarians revealed neuron-like cells in placozoans. Given the phylogenetic position of placozoans, it’s possible they served as the blueprint for the nervous systems in more complex animals, including humans.

“We’ve already made remarkable discoveries into the cellular architecture of life, but these have mostly been the result of individual efforts from different research groups across the world. Unifying these endeavours into a collaborative, cohesive effort, can amplify the potential value of our work exponentially, opening the door to unprecedented discoveries in understanding the diversity and evolution of life,” concludes Dr. Sebé-Pedrós. 

EN CASTELLANO

Comienza la Ambiciosa Búsqueda para Cartografiar la Biodiversidad Celular 

La biodiversidad sustenta todos los sistemas de soporte vital en la Tierra. La variedad de animales, plantas y microorganismos, incluida la diversidad genética interna y entre las especies, nos proporciona aire para respirar, alimentos para comer y medicinas para consumir. El presente y futuro de la humanidad depende de nuestra capacidad para entender y proteger la diversidad de la vida en nuestro planeta.

Durante años, la biodiversidad se ha organizado en tres niveles diferentes: ecosistemas, especies y genes. Sin embargo, estos modelos tradicionales no logran captar cómo se relaciona la vida al nivel más fundamental: las células. Estudiar la biodiversidad a este nivel de jerarquía puede desbloquear nuevos y profundos conocimientos sobre la evolución de los organismos vivos e impulsar una nueva generación de terapias avanzadas, tecnologías y estrategias de conservación.

Para comprender la biodiversidad a nivel celular, deben crearse mapas detallados de todos los diferentes tipos de células en muchos organismos diferentes, también conocidos como un atlas celular. Esto requiere recolectar especies en su hábitat natural y encontrar formas de secuenciar todas las transcripciones expresadas dentro de cada una de estas células. Hacer esto a gran escala es un esfuerzo monumental que requiere colaboraciones internacionales que rivalizan con la ambición y el alcance de iniciativas ambiciosas como el Proyecto del Genoma Humano a principios del siglo XXI, y más recientemente, las iniciativas del Earth BioGenome y el Atlas Celular Humano.

Uno de los principales obstáculos para crear atlas celulares para múltiples especies diferentes es que la ciencia aún no ha acordado un conjunto estándar de metodologías para que sea factible la comparación de tipos de células en diferentes especies. El siguiente gran desafío es cómo procesar y almacenar las enormes cantidades de datos generados por los esfuerzos globales en el campo. Estos datos también deberían ser accesibles para la comunidad científica.

Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona ha dado los primeros pasos para abordar estos dos primeros retos. Dirigidos por el profesor de investigación ICREA Arnau Sebé-Pedrós, los investigadores desarrollarán, probarán y compararán técnicas necesarias para cartografiar tipos de células en muchas especies diferentes. Respaldados por una ayuda de 3,8 millones de dólares de la Fundación Gordon y Betty Moore, el proyecto sentará las bases para la ambiciosa meta de cartografiar la diversidad de tipos de células en la Tierra.

"Nuestro planeta tiene un vasto tapiz viviente de células, cada una con funciones y estructuras especializadas y una historia evolutiva única. Esta financiación es un primer paso audaz para explicar el viaje de cada tipo de célula en la Tierra, conocimiento que puede iluminar cómo estas unidades fundamentales de la vida han evolucionado a lo largo del tiempo y proporcionar nuevas perspectivas sobre la diversidad funcional e interacciones entre organismos", explica el Dr. Sebé-Pedrós.

La Gigantesca Tarea por Delante

Los rápidos avances en tecnologías de secuenciación como la secuenciación de transcriptómica unicelular han hecho posible la creación de atlas celulares a gran escala. Los atlas celulares permiten cuestionar qué está haciendo cada célula en un momento dado. Cada célula en nuestro cuerpo contiene el mismo ADN, pero las diferentes células usan diferentes partes de este ADN. Las partes que una célula usa determinan qué tipo de célula es (como una célula de la piel, una célula sanguínea o una célula nerviosa) y qué trabajo realiza en el cuerpo.

El ARN es el mensajero que porta la información del ADN para la fabricación de proteínas. Al secuenciar el ARN en una sola célula, podemos averiguar qué genes están activos en esa célula. Esto es como saber qué instrucciones está siguiendo y, en última instancia, descubrir la identidad de esa célula. Al utilizar la secuenciación de transcriptómica unicelular, se pueden comprender las historias de muchos miles de células una por una. Esto ayuda a entender qué está haciendo cada célula, información que luego se utiliza para crear mapas detallados de tipos de células, también conocidos como un atlas celular. 
Sin embargo, no existe una solución universal para crear atlas celulares en animales, plantas, hongos u otras formas de vida. Cada especie tendrá requisitos específicos para la recolección de muestras, preservación, procesamiento y análisis de datos. Usar un método puede destruir el ARN en células de otra especie y viceversa, lo que lleva a la creación de mapas inexactos. Otro desafío es que la naturaleza de los datos recopilados de una especie significa que no es posible comparar con los atlas celulares de otra.

Para abordar estos desafíos, el equipo utilizará la financiación para probar y comparar metodologías para perfilar atlas celulares en organismos no modelo, creando un "árbol de decisiones" para abordar nuevas especies. Esta tarea será liderada por un equipo dirigido por el Dr. Sebé-Pedrós del Centro de Regulación Genómica junto con el Profesor Tom Richards (Universidad de Oxford), la Dra. Heather Marlow (Universidad de Chicago), el Dr. Jordi Solana (Universidad de Oxford Brookes) y la Dra. Lauren Saunders (Universidad de Heidelberg).

El Dr. Sebé-Pedrós también trabajará con la Dra. Irene Papatheodorou (EBI/Instituto Earlham) para abordar el desafío del análisis de datos, la integración, el almacenamiento y la accesibilidad. Es probable que cada grupo de investigación en todo el mundo esté estudiando diferentes tipos de células en diferentes especies. Los patrones estandarizados aseguran que todos procesen sus datos de la misma manera, por lo que cuando combinen sus datos, encajen y puedan permitir comparaciones precisas y significativas entre estudios. El equipo también creará una base de datos integral para almacenar estos atlas celulares, fomentando el intercambio de conocimientos y la colaboración en todo el mundo.

El Atlas Celular de la Biodiversidad

El objetivo final de los esfuerzos del Dr. Sebé-Pedrós es sentar las bases para el Atlas Celular de la Biodiversidad. Esta es una iniciativa internacional emergente que tiene como objetivo coordinar los esfuerzos globales para cartografiar tipos de células en diferentes y múltiples especies, articulada por primera vez por la comunidad científica en una reunión celebrada en el Centro de Regulación Genómica en Barcelona, en mayo de 2023.

Financiada por el Wellcome Trust, la reunión fue organizada por Arnau Sebé-Pedrós y Roderic Guigó (Centro de Regulación Genómica), Mara Lawniczak (Instituto Wellcome Sanger), Detlev Arendt (Laboratorio Europeo de Biología Molecular), Amos Tanay (Instituto de Ciencias Weizmann) e Irene Papatheodorou (Instituto Europeo de Bioinformática EMBL).

El proyecto es un esfuerzo conjunto de diferentes comunidades de investigación que desarrollan y aplican tecnología de secuenciación de transcriptómica unicelular para construir atlas celulares de organismos modelo, secuenciar genomas de una diversidad de especies y comparar conjuntos de datos de genómica de célula única. En última instancia, los datos transcriptómicos generados por el Atlas Celular de la Biodiversidad se integrarán con otros conjuntos de datos como, por ejemplo, información sobre la accesibilidad de ciertas partes del ADN (cromatina) en las células, o la estructura tridimensional del genoma. Esto ayudará entender cómo se regulan los genes y cómo surgen los tipos de células.

Un Nuevo Viaje de Descubrimiento Biológico 
 
La creación de un Atlas Celular de la Biodiversidad tendría implicaciones profundas en numerosos campos, desde aplicaciones industriales, descubrimiento de fármacos, diseño de sistemas biológicos sintéticos, hasta la comprensión de la evolución de la vida. Comparar tipos de células entre especies y etapas de la vida, ya ha revelado importantes percepciones, las cuales el Atlas Celular de la Biodiversidad eventualmente podría respaldar y ampliar.

Por ejemplo, el Dr. Sebé-Pedrós recientemente creó los primeros atlas celulares para los placozoos, pequeñas criaturas marinas que se originaron en la Tierra hace 800 millones de años. Al comparar los atlas celulares con otros animales como los cnidarios, se descubrieron células similares a las neuronas en los placozoos. Dada la posición filogenética de los placozoos, es posible que hayan servido como el modelo para los sistemas nerviosos en animales más complejos, incluidos los humanos.

"Ya hemos realizado descubrimientos notables en la arquitectura celular de la vida, pero estos han sido principalmente el resultado de esfuerzos individuales de diferentes grupos de investigación en todo el mundo. Unificar estos empeños en un esfuerzo colaborativo y cohesivo, puede amplificar exponencialmente el valor potencial de nuestro trabajo, abriendo la puerta a descubrimientos sin precedentes en la comprensión de la diversidad y evolución de la vida", concluye el Dr. Sebé-Pedrós. 
 

EN CATALÀ

Comença l'Ambiciosa Recerca per Cartografiar la Biodiversitat Cel·lular 

 
La biodiversitat sustenta tots els sistemes de suport vital a la Terra. La varietat d'animals, plantes i microorganismes, inclosa la diversitat genètica interna i entre les espècies, ens proporciona aire per respirar, aliments per menjar i medicines per consumir. El present i futur de la humanitat depèn de la nostra capacitat per entendre i protegir la diversitat de la vida al nostre planeta.

Durant anys, la biodiversitat s'ha organitzat en tres nivells diferents: ecosistemes, espècies i gens. No obstant això, aquests models tradicionals no aconsegueixen captar com es relaciona la vida en el nivell més fonamental: les cèl·lules. Estudiar la biodiversitat a aquest nivell de jerarquia pot desbloquejar nous i profunds coneixements sobre l' evolució dels organismes vius i impulsar una nova generació de teràpies avançades, tecnologies i estratègies de conservació.

Per comprendre la biodiversitat a nivell cel·lular, s'han de crear mapes detallats de tots els diferents tipus de cèl·lules en molts organismes diferents, també coneguts com un atles cel·lular. Això requereix recol·lectar espècies en el seu hàbitat natural i trobar formes de seqüenciar totes les transcripcions expressades dins de cadascuna d'aquestes cèl·lules. Fer això a gran escala és un esforç monumental que requereix col·laboracions internacionals que rivalitzen amb l'ambició i l'abast d'iniciatives ambicioses com el Projecte del Genoma Humà a principis del segle XXI, i més recentment, les iniciatives de l'Earth BioGenome i l'Atles Cel·lular Humà.

Un dels principals obstacles per crear atles cel·lulars per a múltiples espècies diferents és que la ciència encara no ha acordat un conjunt estàndard de metodologies perquè sigui factible la comparació de tipus de cèl·lules en diferents espècies. El següent gran desafiament és com processar i emmagatzemar les enormes quantitats de dades generades pels esforços globals en el camp. Aquestes dades també haurien de ser accessibles per a la comunitat científica.

Un equip científic del Centre de Regulació Genòmica (CRG) a Barcelona ha donat els primers passos per abordar aquests dos primers reptes. Dirigits pel professor de recerca ICREA Arnau Sebé-Pedrós, els investigadors desenvoluparan, provaran i compararan tècniques necessàries per cartografiar tipus de cèl·lules en moltes espècies diferents. Recolzats per una ajuda de 3,8 milions de dòlars de la Fundació Gordon i Betty Moore, el projecte assentarà les bases per a l'ambiciosa meta de cartografiar la diversitat de tipus de cèl·lules a la Terra.

"El nostre planeta té un vast tapís vivent de cèl·lules, cadascuna amb funcions i estructures especialitzades i una història evolutiva única. Aquest finançament és un primer pas audaç per explicar el viatge de cada tipus de cèl·lula a la Terra, coneixement que pot il·luminar com aquestes unitats fonamentals de la vida han evolucionat al llarg del temps i proporcionar noves perspectives sobre la diversitat funcional i interaccions entre organismes", explica el Dr. Sebé-Pedrós.

La Gegantina Tasca per Endavant

Els ràpids avenços en tecnologies de seqüenciació com la seqüenciació de transcriptòmica unicel·lular han fet possible la creació d'atles cel·lulars a gran escala. Els atles cel·lulars permeten qüestionar què està fent cada cèl·lula en un moment donat. Cada cèl·lula al nostre cos conté el mateix ADN, però les diferents cèl·lules fan servir diferents parts d'aquest ADN. Les parts que una cèl·lula usa determinen quin tipus de cèl·lula és (com una cèl·lula de la pell, una cèl·lula sanguínia o una cèl·lula nerviosa) i quina feina realitza al cos.

L'ARN és el missatger que porta la informació de l'ADN per a la fabricació de proteïnes. En seqüenciar l'ARN en una sola cèl·lula, podem esbrinar quins gens estan actius en aquesta cèl·lula. Això és com saber quines instruccions està seguint i, en última instància, descobrir la identitat d'aquesta cèl·lula. En utilitzar la seqüenciació de transcriptòmica unicel·lular, es poden comprendre les històries de molts milers de cèl·lules una per una. Això ajuda a entendre què està fent cada cèl·lula, informació que després s'utilitza per crear mapes detallats de tipus de cèl·lules, també coneguts com un atles cel·lular.

No obstant això, no hi ha una solució universal per crear atles cel·lulars en animals, plantes, fongs o altres formes de vida. Cada espècie tindrà requisits específics per a la recol·lecció de mostres, preservació, processament i anàlisi de dades. Usar un mètode pot destruir l'ARN en cèl·lules d'una altra espècie i viceversa, cosa que porta a la creació de mapes inexactes. Un altre desafiament és que la naturalesa de les dades recopilades d'una espècie significa que no és possible comparar amb els atles cel·lulars d'una altra.

Per abordar aquests desafiaments, l'equip utilitzarà el finançament per provar i comparar metodologies per perfilar atles cel·lulars en organismes no model, creant un "arbre de decisions" per abordar noves espècies. Aquesta tasca serà liderada per un equip dirigit pel Dr. Sebé-Pedrós del Centre de Regulació Genòmica juntament amb el Professor Tom Richards (Universitat d'Oxford), la Dra. Heather Marlow (Universitat de Chicago), el Dr. Jordi Solana (Universitat d'Oxford Brookes) i la Dra. Lauren Saunders (Universitat de Heidelberg).

El Dr. Sebé-Pedrós també treballarà amb la Dra. Irene Papatheodorou (EBI/Institut Earlham) per abordar el desafiament de l'anàlisi de dades, integració, emmagatzematge i accessibilitat. És probable que cada grup de recerca a tot el món estigui estudiant diferents tipus de cèl·lules en diferents espècies. Els patrons estandarditzats asseguren que tothom processi les seves dades de la mateixa manera, per la qual cosa quan es combinin les seves dades, encaixin i puguin permetre comparacions precises i significatives entre estudis. L'equip també crearà una base de dades integral per emmagatzemar aquests atles cel·lulars, fomentant l'intercanvi de coneixements i la col·laboració arreu del món.

L'Atles Cel·lular de la Biodiversitat

L'objectiu final dels esforços del Dr. Sebé-Pedrós és establir les bases per a l'Atles Cel·lular de la Biodiversitat. Aquesta és una iniciativa internacional emergent que té com a objectiu coordinar els esforços globals per cartografiar tipus de cèl·lules en diferents i múltiples espècies, articulada per primera vegada per la comunitat científica en una reunió celebrada al Centre de Regulació Genòmica a Barcelona, al maig del 2023.

Finançada pel Wellcome Trust, la reunió la va organitzar Arnau Sebé-Pedrós i Roderic Guigó (Centre de Regulació Genòmica), Mara Lawniczak (Institut Wellcome Sanger), Detlev Arendt (Laboratori Europeu de Biologia Molecular), Amos Tanay (Institut de Ciències Weizmann) i Irene Papatheodorou (Institut Europeu de Bioinformàtica EMBL).

El projecte és un esforç conjunt de diferents comunitats de recerca que desenvolupen i apliquen tecnologia de seqüenciació de transcriptòmica unicel·lular per construir atles cel·lulars d'organismes model, seqüenciar genomes d'una diversitat d'espècies i comparar conjunts de dades de genòmica de cèl·lula única. En última instància, les dades transcriptòmiques generades per l'Atles Cel·lular de la Biodiversitat s'integraran amb d’altres conjunts de dades com ara informació sobre l'accessibilitat de certes parts de l'ADN (cromatina) en les cèl·lules, o l'estructura tridimensional del genoma. Això ajudarà entendre com es regulen els gens i com sorgeixen els tipus de cèl·lules.

Un Nou Viatge de Descobriment Biològic 
 
La creació d'un Atles Cel·lular de la Biodiversitat tindria implicacions profundes en nombrosos camps, des d'aplicacions industrials, descobriment de fàrmacs, disseny de sistemes biològics sintètics, fins a la comprensió de l'evolució de la vida. Comparar tipus de cèl·lules entre espècies i etapes de la vida, ja ha revelat percepcions importants a les quals l'Atles Cel·lular de la Biodiversitat eventualment podria donar suport i ampliar.

Per exemple, el Dr. Sebé-Pedrós recentment va crear els primers atles cel·lulars per als placozous, petites criatures marines que es van originar a la Terra fa 800 milions d'anys. En comparar els atles cel·lulars amb altres animals com els cnidaris, es van descobrir cèl·lules similars a les neurones als placozous. Atesa la posició filogenètica dels placozous, és possible que hagin servit com el model per als sistemes nerviosos en animals més complexos, inclosos els humans.

"Ja hem realitzat descobriments notables en l'arquitectura cel·lular de la vida, però aquests han estat principalment el resultat d'esforços individuals de diferents grups de recerca arreu del món. Unificar aquesta tenacitat en un esforç col·laboratiu i cohesiu, pot amplificar exponencialment el valor potencial del nostre treball, obrint la porta a descobriments sense precedents en la comprensió de la diversitat i evolució de la vida", conclou el Dr. Sebé-Pedrós.