Metagenômica aplicada à indústria alimentícia

Olá pessoal, dando continuidade ao tópico de metagenoma, hoje abordaremos um pouco sobre a metagenômica aplicada indústria à alimentícia.

Como abordado no post anterior, metagenoma, é o material genético total presente em uma amostra complexa, que geralmente possui milhares de microrganismos diferentes, como por exemplo como bactérias, fungos e vírus. A partir do metagenoma é possível estimar o conjunto e as proporções de espécies de microrganismos presentes em uma amostra, sendo este denominado microbioma.

Um dos pontos limitantes da microbiologia é o isolamento dos microrganismos, uma vez que não se conhece um meio de cultura universal contendo todos os fatores requeridos pela maioria dos microrganismos existentes no ambiente. Além disso como é de conhecimento da microbiologia, consegue-se isolar em placas apenas em torno de 1% do total de micro-organismos presentes no ambiente. Com isso, o estudo da real biodiversidade de bactérias em determinado ambiente se torna impossível de se obter. Entretanto com o avanço da microbiologia, genética, biologia molecular, bioinformática e biotecnologia, novas técnicas de análise foram surgindo, como a metagenômica, e assim estudos em ecologia microbiana tiveram um grande avanço, tanto na compreensão da biodiversidade como no conhecimento dos processos microbianos dos ambientes.

Abordagens metagenômicas

A Metagenômica pode ser conceituada como o estudo de fragmentos de DNA que podem ser alcançados diretamente de uma amostra ambiental. O termo foi cunhado por Handelsman em 1998 que trabalhava com clonagem dos genomas existen­tes na microbiota do solo. Essa técnica oferece um caminho para acessar de forma mais completa a diversidade de microrganismos presentes do ambiente que se deseja extrair informações, permitindo executar estudos de genômica funcional dos componentes de sua microbiota, sem a necessidade do cultivo de microrganismos. A abordagem metodológica mais abrangente utilizada em estu­dos de metagenômica é habitualmente chamada por sequenciamento shotgun do genoma inteiro (Whole Genome Shotgun Sequencing — WGS). Quando comparada com as análises baseadas no 16S rRNA, oferece a vantagem da identificação da taxonomia em nível de espécie e a estimativa de atividades de vias metabólicas a partir de amostras ambientais. O sequenciamento shotgun consiste em fragmentar todas as moléculas de DNA extraídas de um determinado ambiente em pequenos fragmentos e se­quenciá-los aleatoriamente, sem qualquer tipo de seleção. Sendo assim possível identificar o conteúdo amostral, a função de cada microrganismo e estabelecer hipóteses sobre as interações fisiológicas entre os diferentes membros da comunidade. Este método é útil para avaliar a diversidade mi­crobiana total, detectando a abundância de microrganismos em um determi­nado ambiente, até mesmo dos membros de baixa abundância, ou seja, das espécies que estão pouco ativas ou inativas. Além disso, os benefícios da metagenômica incluem a capacidade de montar genomas completos ou quase completos; prever genes; mapear enzimas e vias metabólicas; descobrir novas enzimas e novas vias; e, quan­tificar a abundância de elementos genômicos funcionais entre amostras de interesse Assim, a potencial utilização de metogenômica em platafor­mas se tornou uma boa oportunidade para o sequenciamento de comunidades de organismos com grande complexidade.

Em 2005 foi lançado o primeiro sequenciador de nova ge­ração da empresa 454, vários fabricantes têm lançado plataformas de sequenciamento massivo capazes de produzir, em cada ensaio, desde alguns megabases (Mb) de DNA (por exemplo, Ion Torrent ou Roche 454) até um ou mais terabases de DNA no caso das pla­taformas Illumina HiSeq ou NovaSeq. Esse avanço na tecnologia tem se integrado em muitas áreas, como é o caso da indústria alimentícia, conferindo ganhos significativos ao setor industrial pela maior precisão e agilidade.

Aplicações Metagenômicas na indústria alimentícia

Identificação patógenos de origem alimentar — Através da Metogenômica é possível identificar de forma rápida os principais agente patogênicos e toxinas produzidas por algumas bactérias de origem alimentar, como por exemplo: Bacillus, Campylobacter Jejuni, Cronobacter, Clostridium, Escherichia Coli, Listeria Monocytogenes, Salmonela, Staphylococcus aures, Vibrio Cholerae.

Os agentes patogênicos de origem alimentar são um fator alarmanteem todo o mundo. A capacidade de prever a patogenicidade microrganismos nos alimentos pode tornar um produto mais confiável. Desta forma, pode-se utilizar a metagenômica afim de monitorar e prevenir eficientemente qualquer fator prejudicial.

O método tradicional de controle de organismos contaminantes e patogênicos nos alimentos é realizado geralmente por técnicas que demandam um maior período de tempo, se tornando um fator desagradável na indústria. Até o momento, era necessário fazer o cultivo dos microrganismos em laboratório, para dias depois identificar os gêneros que se desenvolveram naquele cultivo. O método se baseia em características morfológicas e bioquímicas para identificar quais espécies cresceram, o que muitas vezes leva ao falso positivo ou falso negativo. Isso para a indústria significa perda de lotes não contaminados ou ainda a liberação de alimentos não considerados seguros para o consumo.

Autenticidade de alimentos — A autenticidade dos alimentos é uma questão importante para consumidores, produtores e processadores. Uma vez que práticas de fraude podem afetar negativamente a confiança e a segurança do consumidor. Felizmente, nos dias atuais pode se contar com a utilização de aplicações de sequenciamento de última geração (NGS) para autenticidade de alimentos, e que possam identificar os desenvolvimentos futuros em potencial para esta tecnologia. Nesta área diversas plataformas têm ganhado destaque, como a NGS e bancos de dados de sequência disponíveis, validação de NGS e limitações e usos apropriados dessas tecnologias. Tem-se como exemplo o uso dessa tecnologia para evitar fraudes no tipo de carnes, evitando rotulagem indevida em carne processada e produtos avícolas. Um dos vários usos potenciais desse processo é identificar a presença de transgenes para identificar organismos geneticamente modificados (OGMs). Além disso, o NGS apresenta uma vantagem atraente que é a capacidade de rastrear várias regiões genômicas diferentes, permitindo a identificação de todos os ingredientes vegetais, animais, fúngicos em produtos alimentícios. Por esse motivo, os dados gerados, incluindo sequências de bancos de dados de genes de referência e artigos revisados ​​por pares, são uma fonte preciosa de primers específicos e universais que serão necessários para maximizar a vantagem das plataformas NGS.

Biofilmes — São um conjunto de microrganismos emaranhados em uma matriz de polímero orgânico que estão aderidos a uma superfície. Os biofilmes são formados pela deposição e adesão de microrganismos em uma superfície de contato, formando uma matriz de exopolissacarídeos onde iniciam seu crescimento. A formação de biofilmes em superfícies que entram em contato com alimentos pode ocasionar a sua contaminação e por consequência, causar doenças de origem alimentar. Eles representam uma preocupação para a indústria de alimentos pois quando presentes nos equipamentos da linha de produção alimentícia são de difícil remoção e podem resistir a agentes sanitizantes, podendo assim, contaminar os alimentos e ocasionar doenças aos consumidores e perdas financeiras para a indústria A tecnologia de NGS é extremamente importante na utilização de estudos comparativos de metagenômica, fornecendo dados funcionais, comparações taxonômicas e perfil de biofilmes. Um exemplo disso é o estudo que fez uso da análise comparativa metagenômica de tubos de concretos corroídos, que revelou populações bacterianas associadas a ciclo de enxofre e nitrogênio. O estudo pode ser acessado através do link. Ainda assim, a interpretação dos dados de sequência (ou seja, função de proteína) por um sistema de código aberto atualmente depende de pesquisas de homologia em bancos de dados de sequências anotadas. No entanto, esses recursos fornecem a base para a anotação funcional, comparação taxonômica, perfil filogenômico e metabólica reconstrução. A análise de metagenomas fornece acesso a composição gênica de comunidades microbianas e quando apropriadamente aplicado pode fornecer uma visão melhor da estrutura microbiana em resposta a fatores ambientais.

Prospecção de enzimas de interesse industrial — A utilização de técnicas como genômica, transcriptômica, proteômica e metagenômica, tem oferecido estratégias eficazes para descoberta de inovações na biodiversidade, acelerando a descoberta de enzimas industrialmente importantes. Enquanto modelagem tridimensional (3D) e métodos de simulação usando descoberta auxiliada por computador, permitiu exponencialmente o desenvolvimento científico, tornando mais perto de visualizar as estruturas 3D das enzimas com exatidão, eles têm também introduziram um elemento de economia de tempo e de menor custo. Convencionalmente métodos de seleção de enzimas envolvem experimentos em laboratório, começando com o isolamento e cultura de microrganismos seguido de triagem para a atividade enzimática desejada. Porém a propensão está mudando rapidamente desde que o metagenoma está sendo usada diretamente para rastrear enzimas relevantes, evitando assim as dificuldades de encontrar meios microbiológicos para sustentar crescimento de organismos que são rotulados como “incultiváveis”.

A metagenômica é sem dúvidas uma importante ferramenta na compreensão das comunidades microbianas, desde o estudo da biodiversidade e características funcionais até a prospecção de genes de interesse biotecnológico. Abordaremos mais sobre esta área em posts futuros :D