Giải trình tự toàn bộ bộ gen: Bẻ khóa mã di truyền cho bệnh do thực phẩm

 Một người phạm tội, và thám tử sử dụng bằng chứng DNA thu thập được từ hiện trường vụ án để truy tìm tên tội phạm.

Một đợt bùng phát bệnh do thực phẩm gây ra khiến mọi người bị ốm, và Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) sử dụng bằng chứng DNA để truy tìm vi khuẩn gây ra bệnh này.

Nghe có vẻ xa vời? Nó không thể. FDA đã ngày càng sử dụng một công nghệ tiên tiến, phức tạp được gọi là giải trình tự toàn bộ bộ gen để hỗ trợ điều tra các bệnh do thực phẩm gây ra. Nói một cách đơn giản nhất có thể, giải trình tự toàn bộ bộ gen là một cách nhanh chóng để tìm ra thứ tự của các nucleotide DNA, hoặc các base, trong một bộ gen — thứ tự của As, Cs, Gs và Ts tạo nên DNA của tất cả các sinh vật sống. Bộ gen người được tạo thành từ gần 4 tỷ chữ cái di truyền theo trình tự. Vi khuẩn có ít gen hơn và các chữ cái di truyền. Khi phát bệnh, các nhà khoa học nghiên cứu bộ gen của vi khuẩn gây bệnh, được gọi là mầm bệnh.

Gần đây nhất, giải trình tự toàn bộ bộ gen là một công cụ trong quá trình điều tra sự bùng phát đa trạng thái nhiễm khuẩn Listeria monocytogenes . Việc giải trình tự cho phép FDA xác định một nguồn có khả năng gây bệnh trong đợt bùng phát này - rau đông lạnh do CRF Frozen Foods của Pasco, Washington sản xuất.

Cuộc điều tra của FDA bắt đầu vào giữa tháng Ba. Kathleen F. Gensheimer, MD, cho biết: “Một manh mối quan trọng xuất hiện khi Bộ Nông nghiệp Ohio thông báo cho chúng tôi về một mẫu sản phẩm thông thường trong đó họ tìm thấy vi khuẩn Listeria monocytogenes trong một nhãn hiệu cụ thể của ngô ngọt trắng hữu cơ đông lạnh và đậu xanh nhỏ hữu cơ đông lạnh,” Kathleen F. Gensheimer, MD. , MPH, Giám đốc Y tế và Giám đốc Mạng lưới Đánh giá và Ứng phó Dịch do Phối hợp của FDA (CORE).

Làm việc với Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) và các bộ y tế và nông nghiệp của bang, FDA đã sử dụng toàn bộ trình tự bộ gen để khớp với DNA thu được từ vi khuẩn Listeria monocytogenes được tìm thấy trong các mẫu thực phẩm do các nhà điều tra thu thập và DNA của vi khuẩn trong các mẫu lấy từ người người đã bị bệnh listeriosis. Bắt đầu từ tháng 4, CRF Frozen Foods đã bắt đầu thu hồi và sau đó mở rộng việc thu hồi, bao gồm hàng trăm sản phẩm trái cây và rau quả đông lạnh được bán dưới 42 nhãn hiệu riêng biệt.

Cụ thể, giải trình tự toàn bộ bộ gen cho thấy chủng vi khuẩn Listeria monocytogenes trong ngô đông lạnh có liên quan chặt chẽ về mặt di truyền với vi khuẩn được tìm thấy ở 7 người bị bệnh listeriosis. Xác định trình tự cho thấy mối quan hệ tương tự giữa vi khuẩn Listeria monocytogenes được tìm thấy trong đậu Hà Lan đông lạnh và vi khuẩn được tìm thấy ở người thứ tám cũng bị bệnh.

Ngoài ra, vi khuẩn được tìm thấy trong các mẫu được FDA lấy vào tháng 3 từ môi trường chế biến thực phẩm của một công ty khác có trụ sở tại Pasco, Công ty Khoai tây Oregon, được tìm thấy trùng khớp với vi khuẩn trong mẫu lấy từ những người bị bệnh. Dựa trên thông tin này, Công ty Khoai tây Oregon đã tự nguyện thu hồi các sản phẩm hành tây bán buôn, dẫn đến việc thu hồi thứ cấp các sản phẩm liên quan.

Xây dựng cơ sở dữ liệu trên toàn thế giới

Theo Tiến sĩ Eric Brown, Giám đốc Bộ phận Vi sinh tại Trung tâm An toàn Thực phẩm và Dinh dưỡng Ứng dụng của FDA, mầm bệnh từ thực phẩm có hàng triệu bộ gen khác nhau, hoặc trình tự mã di truyền. Ông nói: “Ví dụ, hãy nghĩ về Salmonella như một bộ tộc gồm hàng ngàn mầm bệnh khác nhau.

Mỗi thành viên của bộ tộc đó là duy nhất, cũng như mọi dấu vân tay là duy nhất. Theo cách tương tự, mỗi người là duy nhất. Brown cho biết: “Giải trình tự toàn bộ bộ gen giúp chúng ta bẻ khóa mã di truyền.

Làm sao? Brown giải thích: “Một mầm bệnh có thể phát triển rất nhanh và bắt đầu có được các dấu hiệu di truyền độc đáo để xác định nó đến từ một khu vực địa lý cụ thể. “Bằng cách ghép nối thông tin bộ gen với thông tin địa lý, chúng tôi có thể thu hẹp việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu thực phẩm bị ô nhiễm, ngay cả khi nó nằm cách xa nửa vòng trái đất”.

Và điều này giúp tăng tốc độ điều tra ổ dịch. Các quan chức y tế công cộng có thể xác định thực phẩm hoặc thành phần gây ra bệnh tật và nguồn gốc của nó càng nhanh thì thành phần độc hại có thể được loại bỏ khỏi nguồn cung cấp thực phẩm càng nhanh - và càng có nhiều bệnh tật và tử vong có thể được ngăn chặn.

Để thực hiện mục tiêu này, FDA đang dẫn đầu một nỗ lực quốc tế nhằm xây dựng một mạng lưới các phòng thí nghiệm có thể giải trình tự bộ gen của các mầm bệnh từ thực phẩm. Sau đó, các phòng thí nghiệm có thể tải lên trình tự di truyền của mầm bệnh, cũng như thông tin về nơi tác nhân gây bệnh được thu thập, vào cơ sở dữ liệu GenomeTrakr có thể truy cập công khai . Mạng GenomeTrakr , được FDA thành lập vào cuối năm 2012, bao gồm các phòng thí nghiệm an toàn thực phẩm của FDA, tiểu bang, liên bang và quốc tế tập trung vào việc chia sẻ dữ liệu WGS trên quy mô toàn cầu.

“Khi kích thước của cơ sở dữ liệu ngày càng lớn, thì sức mạnh của nó cũng như một công cụ giúp tập trung và đẩy nhanh các cuộc điều tra vào nguyên nhân gốc rễ của bệnh tật,” Marc W. Allard, Ph.D., một nhân viên dịch vụ nghiên cứu y sinh cao cấp của Bộ phận cho biết của Vi sinh vật học.

Mạng GenomeTrakr và lượng dữ liệu được tạo và nhập vào cơ sở dữ liệu đang mở rộng nhanh chóng. GenomeTrakr có thông tin trình tự về hơn 50.000 chủng vi khuẩn hoặc chủng vi khuẩn, cho đến tháng 3 năm 2016. “Hiện tại, chúng tôi sắp xếp trình tự hơn 1.000 chủng vi khuẩn mỗi tháng,” Allard nói, đồng thời cho biết thêm rằng vào năm 2016, sự tăng trưởng đáng kể nhất của GenomeTrakr sẽ đến từ dữ liệu do các quốc gia bên ngoài Hoa Kỳ gửi. “Chúng ta đang ở trên một đường cong tăng trưởng,” ông nói, “và không có bằng chứng nào cho thấy nó sẽ dừng lại”.

Đối với video này và các video khác, hãy truy cập Thư viện Video GenomeTrakr .

Ngày càng nhiều Công dụng

Việc giải trình tự toàn bộ bộ gen có thể làm được nhiều việc hơn là xác định nguồn gốc bùng phát dịch bệnh do thực phẩm với tốc độ và độ chính xác cao. Cụ thể hơn, FDA đang sử dụng nó để:

• xác định bệnh nào là một phần của đợt bùng phát và bệnh nào không;
• xác định thành phần nào trong thực phẩm nhiều thành phần là nguyên nhân gây ra sự bùng phát;
• phân biệt các nguồn ô nhiễm, ngay cả trong cùng một ổ dịch; và
• liên kết một số lượng nhỏ bệnh tật, bao gồm cả những căn bệnh đa dạng về mặt địa lý xảy ra trên nhiều tiểu bang, có thể không được xác định là một đợt bùng phát phổ biến.

Một khi vi khuẩn được giải trình tự, thông tin chung có thể được sử dụng vô thời hạn. "Bằng chứng" không được sử dụng hết và các nhà khoa học có thể tiếp tục so sánh các chủng từ nhiều năm trước. Brown cho biết FDA đang thúc đẩy toàn bộ công nghệ giải trình tự bộ gen lên hàng đầu về an toàn thực phẩm “nhanh nhất và đầy đủ nhất có thể”.

Điều này có ý nghĩa gì đối với việc theo dõi các bệnh truyền qua thực phẩm trong tương lai? Brown cho biết, ngành công nghiệp đang bắt đầu nhận ra và sử dụng toàn bộ trình tự bộ gen như một cách để giám sát nguồn cung cấp thành phần, xác định hiệu quả của các biện pháp kiểm soát vệ sinh và phòng ngừa, cũng như xác định sự tồn tại của mầm bệnh trong môi trường nhà máy.

Nếu cơ sở sản xuất thực phẩm tìm thấy mầm bệnh trong quá trình thử nghiệm, cơ sở đó có thể sử dụng cơ sở dữ liệu GenomeTrakr để giúp xác định nguồn ô nhiễm vi khuẩn và thực hiện bất kỳ bước khắc phục nào cần thiết để đảm bảo thực phẩm mà họ sản xuất là an toàn để ăn. Allard cho biết thêm rằng FDA đang làm việc với các chuyên gia có cùng chí hướng trong ngành công nghiệp thực phẩm, những người đang kiểm tra giá trị của việc giải trình tự toàn bộ bộ gen đối với an toàn thực phẩm khi họ làm việc để tạo ra thực phẩm an toàn nhất có thể.

Brown nói: “Chúng tôi đang giúp nâng cao tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm trên toàn thế giới.