Quy trình thông lượng cao phân tích hệ gen vi khuẩn dùng trong sản xuất thực phẩm

Một chủng Bacillus subtilis được phân lập từ món bekang lên men truyền thống của Ấn Độ khác biệt về phát sinh chủng loại so với các chủng natto Nhật Bản, nhưng lại có một tập hợp gen phụ trợ rất gần nhau. Nghiên cứu cũng trình bày một quy trình so sánh hệ gen hiệu quả cho vi khuẩn dùng trong sản xuất thực phẩm.

Để khảo sát tính đa dạng của Bacillus subtilis dùng trong lên men thực phẩm, nghiên cứu ban đầu thu thập 55 genome và dùng 42 chủng đã qua quality control và annotation thống nhất cho các phân tích pangenome và comparative genomics chính.

Bối cảnh và kết quả chính

Để biết cái nhìn tổng quát và câu chuyện đằng sau khám phá này, vui lòng tham khảo các liên kết sau:

• Press Release: Japanese “Natto” and Indian Traditional Food “Bekang” Bacteria: Genetically “Strangers” yet “Identical Twins”!?
• Bài viết về câu chuyện nghiên cứu: The Global "Natto" Connection: How a Bowl of Beans in Myanmar Sparked a Genomic Discovery (Springer Nature Research Communities)

Phân tích chính xác định 26 chủng phân lập từ natto Nhật Bản là narrow-sense natto group. Một chủng duy nhất từ thực phẩm truyền thống Ấn Độ bekang (Food_IND_1; n=1) nằm ngoài natto clade trên core-genome phylogeny, nhưng là functional neighbor gần nhất theo Jaccard distance dựa trên accessory-gene presence/absence. Tổng cộng 27 chủng được so sánh như broad-sense natto group. Horizontal gene transfer (HGT) và selective retention là những cách giải thích có thể có, không phải mechanism được chứng minh trực tiếp. Diễn giải chức năng chủ yếu dựa trên annotation và enrichment analysis, không phải direct phenotyping của nhiều chủng bekang.

Quy trình comparative genomics

Quy trình comparative genomics tích hợp việc lấy public data, genome assembly, quality control và annotation với pangenome analysis cùng so sánh phylogeny và gene content.

• Chuẩn bị dữ liệu: public raw reads và genome records được xử lý bằng quy trình assembly, quality control và annotation thống nhất.
• Phylogeny và gene content: core-genome phylogeny được kết hợp với Jaccard-distance clustering dựa trên accessory-gene presence/absence.
• Candidate differences: synteny, phylogenetic network và group-specific genes được dùng để so sánh indel, transposon, gene duplication và truncation.

Phạm vi bằng chứng và khả năng ứng dụng

Bằng chứng này giúp xác định genomic relationships và candidate genes. Để áp dụng cho hiệu năng sản xuất, hương vị, an toàn hoặc quality control, cần phenotyping, thí nghiệm lên men, kiểm tra khả năng lặp lại và xác nhận tại cơ sở sản xuất.

• Khả năng sử dụng: hỗ trợ so sánh chủng và tạo giả thuyết về candidate genes có thể liên quan đến phenotype.
• Cần xác nhận: chỉ riêng sequence data không chẩn đoán trực tiếp hiệu năng chủng, chất lượng sản phẩm hay nhiễm tạp; cần xác nhận bằng thí nghiệm và tại cơ sở sản xuất.

Tóm tắt

Bằng cách kết hợp core-genome phylogeny với accessory-gene composition, nghiên cứu trình bày một quy trình comparative genomics high-throughput để phát hiện điểm tương đồng giữa các chủng B. subtilis xa nhau về phát sinh chủng loại. Kết quả bekang là một case study n=1 và các functional hypotheses cần được kiểm chứng thêm.