跟踪食品污染和微生物基因编码之外

每年,估计有4800万美国人生病从食源性疾病,导致大约128000名住院和3000人死亡,据美国疾病控制和预防中心。这一公共卫生问题加剧了数十亿美元的经济损失从产品召回,凸显了需要快速、准确地确定食源性疾病的来源。

与日益复杂的全球供应链无数消费者可以得到食物,但是,污染物品的确切起源跟踪的任务是很困难的。

一个新颖的解决方案,可以帮助确定农产品和其他产品的起源,哈佛医学院的科学家开发出了一种DNA-barcoded微生物系统,可用于标签对象在一个便宜的,可伸缩的、可靠的方式。

报告6月4日在科学研究小组描述了如何合成微生物孢子可以安全地引入到对象和表面在一个原点,如一个字段或制造厂,几个月后发现和识别。

孢子来自面包酵母和普通菌株用于各种各样的应用程序,如益生菌营养补充剂和设计不能生长在野外,防止负面生态效应。

“孢子在许多方面是一个传统的解决方案,安全农产品作为土壤菌剂或生物农药喷了几十年。我们只是添加了一个小的DNA序列可以放大和检测,“研究相应的作者迈克尔·斯普林格说,副教授Blavatnik学院HMS系统生物学。

“我们也努力确保这个系统是安全的,使用常见的微生物菌株,建立在多个级别的控制,“施普林格补充道。“我们希望它可以用来帮助解决问题有巨大的公共卫生和经济的影响。”

近年来,科学家们已经学到了很多关于微生物之间的相互作用及其环境。研究表明,微生物群落在家里,手机,对人体更有独特的成分,bet188真人类似于指纹。尝试使用微生物指纹识别出处可以耗费时间和不易扩展,然而。

使用custom-synthesized DNA序列条形码原则上已被证明是有效的标签食品和其他物品。广泛有用,DNA条形码必须在大量生产廉价,持久化对象高度可变的环境中,能够可靠和快速decoded-hurdles迄今为止没有克服,因为DNA是脆弱的。

重型包装

在他们的研究中,施普林格和他的同事着手确定DNA条形码打包在微生物孢子,可喷洒到作物和确定了几个月后,可能会帮助解决这些挑战。

许多微生物,包括细菌、酵母和藻类,形成孢子,以应对恶劣的环境条件。类似于种子、孢子允许微生物潜伏相当长的时间和生存极端环境如高温、干旱和紫外线辐射。

研究小组创建定制的DNA序列,他们整合到基因组的两个microorganisms-Saccharomyces酵母的孢子,也被称为面包酵母,枯草芽孢杆菌,一种常见和普遍的细菌,有许多商业用途,包括饮食益生菌,土壤变质剂和某些食物的发酵代理。这些孢子可以廉价地在实验室大量增长。

合成DNA序列短,不编码蛋白质产品,因此生物惰性。插入到基因组中串联,数十亿的序列设计独特的条形码可以创建。

该小组还确保DNA-barcoded孢子不能繁殖,在野外生长和扩散。他们通过使用微生物菌株,需要特定的营养补充和通过删除基因孢子发芽和成长所必需的。实验中从数百万到超过一万亿修改后的孢子证实,他们无法形成菌落。

读取DNA条形码,研究人员使用一种廉价CRISPR-based工具,可以快速检测基因的存在目标和高灵敏度。开发技术,叫夏洛克,麻省理工和哈佛大学,在学院领导的合作成员詹姆斯·柯林斯和冯张。

“孢子可以在野外生存很长时间是一个伟大的介质中,对我们将DNA条形码,“钱研究co-first作者杰森说,研究生在HMS系统生物学。“识别条形码很简单,使用蓝色光源,一盘读者,一个橙色塑料过滤器和手机相机。我们不想象任何挑战领域部署。”

现实世界中

团队研究了微生物孢子条形码系统的有效性通过各种实验。

他们种植植物在实验室并喷洒植物,不同编码孢子。接种一周后,叶片和土壤样品从每个锅是收获。孢子是容易发现,甚至树叶混合在一起时,团队可以识别哪些锅每片叶子。

当喷到外面的草地和暴露于自然天气好几个月,孢子仍可检测,以最小的接种以外的地区传播。砂等环境、土壤、地毯和木材,孢子存活数月没有损失随着时间的推移,他们确定扰动后如吸尘、清扫和模拟风雨。

孢子很可能持续通过实际供应链的条件,根据研究人员。原理验证阶段,他们测试了几十个现成的生产物品的苏云金杆菌(Bt)的孢子,细菌物种,被广泛用作农药。他们正确地识别所有Bt-positive和Bt-negative植物。

在额外的实验中,研究小组建立了一个100平方米的室内沙坑(~ 1000平方英尺),发现孢子的传播是最小经过几个月的模拟风、雨和物理干扰。

他们还证实,孢子可以转移到对象的环境。孢子是容易识别的鞋子的人走过的沙坑,即使步行几个小时从未接触过此孢子的表面。然而,这些表面上的孢子无法检测到,表明对象保留孢子没有显著的传播。

这一特点,研究小组指出,允许孢子可以被用来确定一个对象通过一个接种区域。他们测试了沙坑划分网格,每个标签多达四个不同的页码孢子。个人和遥控汽车导航沙坑。

他们发现他们可以识别对象的特定网格通过以最小的假阳性或阴性,说明一个可能的应用程序作为补充的取证工具或执法。

团队也被认为是潜在的隐私的影响,指出现有技术如紫外线染料、手机跟踪和面部识别已经广泛应用,但仍有争议。

“作为科学家,我们的收费是为了解决科学挑战,但与此同时,我们要确保我们承认更广泛的社会影响,“施普林格说。“我们相信条形码孢子是最适合农业和工业应用并为人类监测将是无效的。“无论如何,这种技术的使用和采用应该考虑道德和隐私问题,该研究的作者说。

研究人员目前正在探索如何改进系统,包括工程潜在的安全开关机制到孢子,设法限制传播和检查如果孢子可用于提供时间地点历史信息。

“暴发李斯特菌等有害食源性病原体,沙门氏菌和大肠杆菌是自然发生的频繁,“施普林格说。“简单,安全的合成生物学基础生物学的工具和知识让我们创造的东西有很多潜在的解决现实世界安全问题。”

参考
高分辨率条形码微生物系统对象来源。杰森钱et al。科学2020年05年6月:368卷,发行6495,页1135 - 1140,DOI: 10.1126 / science.aba5584。

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