Sekvencioniranje genoma i sigurnost hrane
Nemoguće je ignorirati sekvencioniranje nove generacije (NGS) u prehrambenoj in-dustriji.To nije više samo riječ-stvar je u promjeni sigurnosti hrane kao što znamo.
Korištenje snage NGS-a,proizvođači hrane i laboratoriji izgradili su sigurniji i jeftiniji program sigurnosti hrane.Ali što je tačno NGS ?.Kako to može utjecati na program sigurnosti hrane ?
Da bi smo dobili bolju ideju,iskoristimo tri različite primjene NGS-a i kako to utječe na sigur-nost hrane.
Što je NGS i kako smo došli ovdje ?
Godine 1885. Theodor Esherich je otkrio E.coli u ljudskom debelom crijevu.
Iste godine,Theobald Smith i David E. Salmom pronašli su prvu vrstu Salmonele.Od tada, naše poznavanje patogena uzrokovanih hranom drastično se povećalo,no metode detekcije su se sporije mijenjale.Kultiviranje stanica,metodologija sa svojim korijenima iz 19 vijeka i dalje je zlatni standard za potvrdu u industriji sigurnosti hrane.
Naravno,došlo je do napretka na putu,a glavno je tehnika lančane reakcije polimeraze (PCR).
U 1980-tima Kairy B.Mullis izumio je tehniku koja je omogućila naučnicima da naprave brojne kopije male količine DNK.Potom su sredinom 1990-ih došla na tržište dva komercijalna PCR instrumenta.Do sada PCR testiranje ostaje industrijski standard za otkrivanje patogena una-toč tehnikama nedostataka,uključujući visoke stope lažnih negativnih i pozitivnih,kao i binarni da/ne odgovore.
Prepoznavajući ograničenja PCR-a,sve više i više stručnjaka za sigurnost hrane okreću se NSS-u.U stvari,dvije trećine evropskih zemalja koristi cijelo genomsko sekvenciranje (WGS), jedan od nekoliko primjena NGS-a,za nacionalni nadzor ljudskih patogena.
Dakle,što je NGS ? Ukratko sekvencioniranje nove generacije (NGS) je opsežni deskriptor za sekveciranje milijona podataka istodobno s DNK podataka.S toliko mnogo podataka na doh-vat ruke,naučnici mogu naučiti više o hranjivim i okolišnim mikrobiološkim zajednicama nego ikada prije.Stručnjaci za sigurnost hrane više ne moraju pitati:"je li mikrob u mojem uzorku? ",umjesto toga,mogu pitati : "koja je kompletna mikrobna sastavnica moga uzorka".
To je snažan pomak.
Postoji nekoliko načina za određivanje mikrobiološkog sastava uzorka s NGS.Tri najvažnija primjenjiva zahtjeva za sigurnost hrane su : sekvenciranje metagenomskom sačmaricom, WGS i ciljane NGS.
WGS
Većina stručnjaka za sigurnost hrane vjerovatno je čula za WGS,jer i dalje prednjači u upo-trebi.Ukratko WGS je proces određivanja potpune DNK slijeda organizma.Dugo su vremena samo naučnici koristili WGS jer su bili intezivni,skupi i trebaju posebnu stručnost za analizu generiranih sekvenci.Međutim,nakon uvođenja NGS platformi,troškovi WGS-a znatno su se smanjili.Kao rezultat toga,WGS je postao rutinski u kliničkim ispitivanjima i ispitivanjima za sigurnost hrane.
WGS je moćan alat za situacije u kojima laboratorij treba detaljnu genetsku karakterizaciju čistog uzorka.Učinivši WGS određenog uzorka,generira se najdetaljniji genetski trag tog uzorka.To bi moglo uključiti do nekoliko miliona genetskih građevnih blokova po uzorku,za bakterijski uzorak.Ovi genetički građeni blokovi potom su povezani kako bi se stvorile veće genetičke konstrukcije,a zatim uspoređeni s referentnom bazom podataka kako bi se iden-tificirali mikroorganizmi koji se proučavaju.Računalni algoritmi mogu primjetiti najmanju razliku između DNK uzorka i mikroorganizama u bazi podataka.
U oblasti sigurnosti hrane WGS nije prikladan za rutinsko testiranje patogena,jer je skup i spor,a zahtjeva i čistu kulturu.Umjesto toga,analize praćenja su primarni kandidati za WGS
jer ovaj pristup NGS-u daje rezoluciju potrebnu za razlikovanje sojeva i označavanje gdje se uzorak hrane uzima,recimo,Salmobella Kentucky vrstr sojeva (ST) 198.Štoviše WGS je ide-alan za sljedivost jer se takva istraživanja oslanjaju na čiste uzorke koji su preduslovi za stu-dije WGS.
Analize sljedivosti nisu jedini slučajevi korištenja WGS.Naučnici o sigurnosti hrane mogu ko-ristiti WGS kad god trebaju detaljnu karakterizaciju određenog genoma i njegovih funkcional-nih atributa.Na primjer,oni mogu iskoristiti WGS kako bi odredili na koje antibiotike životinja je otporna i koje hranjive tvari mogu metabolizirati.
Metagenomika sa sačmaricom
S druge strane,metagenomika sačmarice,premda skupa nema ista ograničenja na kulturama.
Može se izvoditi na čistim ili miješanim kulturama mikroorganizama.
U metagenomici sačmarice,DNA se nasumično razbija u mnoge male fragmente koji se mogu pojedinačno sekvencirati.Zatim se sekvence tih fragmenata ponovo sastavljaju u njihov red,u konačnici stvarajući kompletnu sekvencu.Ovakav pristup je nepristran i može stvoriti neuspo-redive pojedinosti o identitetu svih genetskih materijala unutar biološkog uzorka.WGS se obi-čno postiže primjenom pristupa čistog uzorka.Ako je uzorak složen,primjenom sekvenciranja generira se metagenomika sačmarica.
Metagenomski pristup sačmaricom za NGS dobro je za široke istraživačke projekte kao što su strudije praćenja stanja okoliša,gdje stručnjaci za sigurnost hrane trebaju potpuni pregled mikroorganizama u laboratoriju i njihovim funkcionalnim atributima.Može se koristiti za analizu velike količine ekološke vode ili uzoraka tla u potrazi za prisutnošću ili odsutnošću i funkcijom indikatorskih organizama.Na taj način stručnjaci za sigurnost hrane mogu prepoznati i minimi-zirati rizik od onečišćenja.
Zamislimo sredinu sa bakterijama od 10.000 različitih sojeva.Međutim,želimo samo detaljnu karekterizaciju za Listeria monocytogenes.To može biti problem i može biti teško doći do od-govarajuće informacije.Osim toga takav uzorak ima visoku razinu složenosti,količinu podataka potrebnih za pouzdano obilježavanje ciljanog mikroorganizma može biti vrlo visoka,a prošire-nje nastojanja može postati neefikasno.
Ciljani NGS:Izgrađen za rutinsko testiranje na patogene
Do sada smo govorili o dvije ne ciljane NGS aplikacije.Pogledajmo sada ciljanu NGS.Dok WGS gleda cijeli genom,ciljani NGS gleda na mnoge genetske markere unutar šireg sastava genetskog materijala.Iako ovo može zvučati kao ograničeni PCR test,to je drugačije na neko-liko temeljnih načina.Testovi temeljeni na PCR-u gledaju samo na jedan generički marker (ili,u slučaju multipleksnog PCR-a,na nekoliko genetičkih markera) umjesto na više genetičkih mar-kera,kao što je učinjeno u ciljanim NGS.Kao rezultat toga,tačnost PCR testova je niža nego kod ciljnih NGS.
Druga osnovna razlika između PCR i ciljanog načina sekvenciranja je da PCR može označiti samo prisutnost i odsutnost genetskog markera.S druge strane,ciljano sekvenciranje DNA može čitati svaki blok ciljane regije kako bi se osiguralo da test pogodi tačan cilj.Zatim,može koristiti algoritme za usporedbu uzoraka građevnih blokova s referentnom bazom podataka i potvrditi da li se cilj podudara s DNA sekvencama od,recimo Salmonella Saintpaul,a ne Sal-monella Derby.
Drugi faktor diferencijacije između PCR i ciljanog sekvenciranja je količina prikupljenih podata-ka.Ciljano sekvenciranje može se koristiti za povećanje količine prikupljenih podataka iz jed-nog bita ( u slučaju PCR) na nekoliko redova veličine.Takav visoki informacijski sadržaj,osim što osigurava vrhunsku izvedbu,u kombinaciji s AI i mašinskim učenjem može generirati nove slojeve uvida,poput prediktivne analize i analiziranja trendova koji prije nisu bili mogući.Na pri-mjer,ciljano sekvenciranje ima potencijal da pospješi preciznost predviđanja roka trajanja.
Da bi bili sigurni,ciljani NGS i PCR dijele neke zajedničke elemente.Za početak, vrijeme za otkrivanje je isto s oba PCR-a i ciljane NGS.Osim toga i PCR Ii ciljani NGS su daleko jeftiniji od oba WGS-a i metagenomike sačmarice.Zapravo,PCR i ciljani NGS testovi mogu imati sli-čne troškove.No,s ciljanim NGS,naučnici mogu učiniti mnogo više nego što mogu učiniti s PCR testom.Ciljane NGS platforme idealne su za rutinsko testiranje patogena.Zbog svoje ciljane prirode,ove platforme mogu biti fino podešene da budu vrlo osjetljive,otkrivajući iglu u plastu sijena.Ili,kako bi ga stavili u naučne uslove,ciljane NGS platforme mogu detektirati određeni serotip u miješanom uzorku,čistom uzorku,pojedinačnoj koloniji,tekućem uzorku ili čvrstom izorku.Kao rezultat,ciljane NGS platforme idealne su za svaku aplikaciju gdje je tačnost od najveće važnosti.
Zbog vrhunske preciznosti ciljanih NGS rješenja,proizvođači hrane i laboratoriji mogu očekivati manje dvosmislenih rezultata koji zahtjevaju dugačke korake za potvrde.U tom smislu,ciljano NGS testiranje može uštedjeti tvrtkama i vrijeme i novac tako što smanjuje vrijeme zadržava-nja svojstvene procesu potvrde.
Snažan alat za sigurnost hrane
NGS je snažan resurs za svakog stručnjaka za sigurnost hrane.Umjesto da jednostavno dete-ktira prisutnost određenog mikroba,naučnici mogu dobiti bolji uvid u mikrobnu zajednicu u uzo-rcima hrane ili okolišu.Kako se ta tehnologija održava,možemo očekivati jače,sofisticirane programe sigurnosti hrane.
Autor:Sasan Amini
Sasan Amini je glavni izvršni direktor i suosnivač Clear LOabsa.Drži doktorsku disertaci-ju,geonomike na Univerzitetu Princeton.
Izvor:FOOD navigator
Korištenje snage NGS-a,proizvođači hrane i laboratoriji izgradili su sigurniji i jeftiniji program sigurnosti hrane.Ali što je tačno NGS ?.Kako to može utjecati na program sigurnosti hrane ?
Da bi smo dobili bolju ideju,iskoristimo tri različite primjene NGS-a i kako to utječe na sigur-nost hrane.
Što je NGS i kako smo došli ovdje ?
Godine 1885. Theodor Esherich je otkrio E.coli u ljudskom debelom crijevu.
Iste godine,Theobald Smith i David E. Salmom pronašli su prvu vrstu Salmonele.Od tada, naše poznavanje patogena uzrokovanih hranom drastično se povećalo,no metode detekcije su se sporije mijenjale.Kultiviranje stanica,metodologija sa svojim korijenima iz 19 vijeka i dalje je zlatni standard za potvrdu u industriji sigurnosti hrane.
Naravno,došlo je do napretka na putu,a glavno je tehnika lančane reakcije polimeraze (PCR).
U 1980-tima Kairy B.Mullis izumio je tehniku koja je omogućila naučnicima da naprave brojne kopije male količine DNK.Potom su sredinom 1990-ih došla na tržište dva komercijalna PCR instrumenta.Do sada PCR testiranje ostaje industrijski standard za otkrivanje patogena una-toč tehnikama nedostataka,uključujući visoke stope lažnih negativnih i pozitivnih,kao i binarni da/ne odgovore.
Prepoznavajući ograničenja PCR-a,sve više i više stručnjaka za sigurnost hrane okreću se NSS-u.U stvari,dvije trećine evropskih zemalja koristi cijelo genomsko sekvenciranje (WGS), jedan od nekoliko primjena NGS-a,za nacionalni nadzor ljudskih patogena.
Dakle,što je NGS ? Ukratko sekvencioniranje nove generacije (NGS) je opsežni deskriptor za sekveciranje milijona podataka istodobno s DNK podataka.S toliko mnogo podataka na doh-vat ruke,naučnici mogu naučiti više o hranjivim i okolišnim mikrobiološkim zajednicama nego ikada prije.Stručnjaci za sigurnost hrane više ne moraju pitati:"je li mikrob u mojem uzorku? ",umjesto toga,mogu pitati : "koja je kompletna mikrobna sastavnica moga uzorka".
To je snažan pomak.
Postoji nekoliko načina za određivanje mikrobiološkog sastava uzorka s NGS.Tri najvažnija primjenjiva zahtjeva za sigurnost hrane su : sekvenciranje metagenomskom sačmaricom, WGS i ciljane NGS.
WGS
Većina stručnjaka za sigurnost hrane vjerovatno je čula za WGS,jer i dalje prednjači u upo-trebi.Ukratko WGS je proces određivanja potpune DNK slijeda organizma.Dugo su vremena samo naučnici koristili WGS jer su bili intezivni,skupi i trebaju posebnu stručnost za analizu generiranih sekvenci.Međutim,nakon uvođenja NGS platformi,troškovi WGS-a znatno su se smanjili.Kao rezultat toga,WGS je postao rutinski u kliničkim ispitivanjima i ispitivanjima za sigurnost hrane.
WGS je moćan alat za situacije u kojima laboratorij treba detaljnu genetsku karakterizaciju čistog uzorka.Učinivši WGS određenog uzorka,generira se najdetaljniji genetski trag tog uzorka.To bi moglo uključiti do nekoliko miliona genetskih građevnih blokova po uzorku,za bakterijski uzorak.Ovi genetički građeni blokovi potom su povezani kako bi se stvorile veće genetičke konstrukcije,a zatim uspoređeni s referentnom bazom podataka kako bi se iden-tificirali mikroorganizmi koji se proučavaju.Računalni algoritmi mogu primjetiti najmanju razliku između DNK uzorka i mikroorganizama u bazi podataka.
U oblasti sigurnosti hrane WGS nije prikladan za rutinsko testiranje patogena,jer je skup i spor,a zahtjeva i čistu kulturu.Umjesto toga,analize praćenja su primarni kandidati za WGS
jer ovaj pristup NGS-u daje rezoluciju potrebnu za razlikovanje sojeva i označavanje gdje se uzorak hrane uzima,recimo,Salmobella Kentucky vrstr sojeva (ST) 198.Štoviše WGS je ide-alan za sljedivost jer se takva istraživanja oslanjaju na čiste uzorke koji su preduslovi za stu-dije WGS.
Analize sljedivosti nisu jedini slučajevi korištenja WGS.Naučnici o sigurnosti hrane mogu ko-ristiti WGS kad god trebaju detaljnu karakterizaciju određenog genoma i njegovih funkcional-nih atributa.Na primjer,oni mogu iskoristiti WGS kako bi odredili na koje antibiotike životinja je otporna i koje hranjive tvari mogu metabolizirati.
Metagenomika sa sačmaricom
S druge strane,metagenomika sačmarice,premda skupa nema ista ograničenja na kulturama.
Može se izvoditi na čistim ili miješanim kulturama mikroorganizama.
U metagenomici sačmarice,DNA se nasumično razbija u mnoge male fragmente koji se mogu pojedinačno sekvencirati.Zatim se sekvence tih fragmenata ponovo sastavljaju u njihov red,u konačnici stvarajući kompletnu sekvencu.Ovakav pristup je nepristran i može stvoriti neuspo-redive pojedinosti o identitetu svih genetskih materijala unutar biološkog uzorka.WGS se obi-čno postiže primjenom pristupa čistog uzorka.Ako je uzorak složen,primjenom sekvenciranja generira se metagenomika sačmarica.
Metagenomski pristup sačmaricom za NGS dobro je za široke istraživačke projekte kao što su strudije praćenja stanja okoliša,gdje stručnjaci za sigurnost hrane trebaju potpuni pregled mikroorganizama u laboratoriju i njihovim funkcionalnim atributima.Može se koristiti za analizu velike količine ekološke vode ili uzoraka tla u potrazi za prisutnošću ili odsutnošću i funkcijom indikatorskih organizama.Na taj način stručnjaci za sigurnost hrane mogu prepoznati i minimi-zirati rizik od onečišćenja.
Zamislimo sredinu sa bakterijama od 10.000 različitih sojeva.Međutim,želimo samo detaljnu karekterizaciju za Listeria monocytogenes.To može biti problem i može biti teško doći do od-govarajuće informacije.Osim toga takav uzorak ima visoku razinu složenosti,količinu podataka potrebnih za pouzdano obilježavanje ciljanog mikroorganizma može biti vrlo visoka,a prošire-nje nastojanja može postati neefikasno.
Ciljani NGS:Izgrađen za rutinsko testiranje na patogene
Do sada smo govorili o dvije ne ciljane NGS aplikacije.Pogledajmo sada ciljanu NGS.Dok WGS gleda cijeli genom,ciljani NGS gleda na mnoge genetske markere unutar šireg sastava genetskog materijala.Iako ovo može zvučati kao ograničeni PCR test,to je drugačije na neko-liko temeljnih načina.Testovi temeljeni na PCR-u gledaju samo na jedan generički marker (ili,u slučaju multipleksnog PCR-a,na nekoliko genetičkih markera) umjesto na više genetičkih mar-kera,kao što je učinjeno u ciljanim NGS.Kao rezultat toga,tačnost PCR testova je niža nego kod ciljnih NGS.
Druga osnovna razlika između PCR i ciljanog načina sekvenciranja je da PCR može označiti samo prisutnost i odsutnost genetskog markera.S druge strane,ciljano sekvenciranje DNA može čitati svaki blok ciljane regije kako bi se osiguralo da test pogodi tačan cilj.Zatim,može koristiti algoritme za usporedbu uzoraka građevnih blokova s referentnom bazom podataka i potvrditi da li se cilj podudara s DNA sekvencama od,recimo Salmonella Saintpaul,a ne Sal-monella Derby.
Drugi faktor diferencijacije između PCR i ciljanog sekvenciranja je količina prikupljenih podata-ka.Ciljano sekvenciranje može se koristiti za povećanje količine prikupljenih podataka iz jed-nog bita ( u slučaju PCR) na nekoliko redova veličine.Takav visoki informacijski sadržaj,osim što osigurava vrhunsku izvedbu,u kombinaciji s AI i mašinskim učenjem može generirati nove slojeve uvida,poput prediktivne analize i analiziranja trendova koji prije nisu bili mogući.Na pri-mjer,ciljano sekvenciranje ima potencijal da pospješi preciznost predviđanja roka trajanja.
Da bi bili sigurni,ciljani NGS i PCR dijele neke zajedničke elemente.Za početak, vrijeme za otkrivanje je isto s oba PCR-a i ciljane NGS.Osim toga i PCR Ii ciljani NGS su daleko jeftiniji od oba WGS-a i metagenomike sačmarice.Zapravo,PCR i ciljani NGS testovi mogu imati sli-čne troškove.No,s ciljanim NGS,naučnici mogu učiniti mnogo više nego što mogu učiniti s PCR testom.Ciljane NGS platforme idealne su za rutinsko testiranje patogena.Zbog svoje ciljane prirode,ove platforme mogu biti fino podešene da budu vrlo osjetljive,otkrivajući iglu u plastu sijena.Ili,kako bi ga stavili u naučne uslove,ciljane NGS platforme mogu detektirati određeni serotip u miješanom uzorku,čistom uzorku,pojedinačnoj koloniji,tekućem uzorku ili čvrstom izorku.Kao rezultat,ciljane NGS platforme idealne su za svaku aplikaciju gdje je tačnost od najveće važnosti.
Zbog vrhunske preciznosti ciljanih NGS rješenja,proizvođači hrane i laboratoriji mogu očekivati manje dvosmislenih rezultata koji zahtjevaju dugačke korake za potvrde.U tom smislu,ciljano NGS testiranje može uštedjeti tvrtkama i vrijeme i novac tako što smanjuje vrijeme zadržava-nja svojstvene procesu potvrde.
Snažan alat za sigurnost hrane
NGS je snažan resurs za svakog stručnjaka za sigurnost hrane.Umjesto da jednostavno dete-ktira prisutnost određenog mikroba,naučnici mogu dobiti bolji uvid u mikrobnu zajednicu u uzo-rcima hrane ili okolišu.Kako se ta tehnologija održava,možemo očekivati jače,sofisticirane programe sigurnosti hrane.
Autor:Sasan Amini
Sasan Amini je glavni izvršni direktor i suosnivač Clear LOabsa.Drži doktorsku disertaci-ju,geonomike na Univerzitetu Princeton.
Izvor:FOOD navigator
Primjedbe
Objavi komentar