O Sequenciamento de Nova Geração (NGS) tem se tornado uma ferramenta essencial para garantir a segurança alimentar, uma das principais responsabilidades das autoridades de saúde pública, órgãos de controle sanitário e produtores de alimentos em todo o mundo.
Afinal de contas, com o aumento das preocupações em torno de patógenos transmitidos por alimentos, como Salmonella, Listeria, E. coli e Campylobacter, há uma necessidade crescente por sistemas de monitoramento e detecção mais rápidos, precisos e eficientes.
Dessa forma, o NGS oferece avanços significativos na identificação de contaminantes bacterianos em produtos alimentares e está ganhando cada vez mais espaço nos sistemas de monitoramento de segurança alimentar.
Diferente dos métodos tradicionais baseados em cultivo, o NGS permite uma visão abrangente das comunidades microbianas presentes nos alimentos, assim como suas características genéticas.
Como o NGS funciona na segurança alimentar
1. Sequenciamento Completo do Genoma (WGS)
Uma das aplicações mais amplamente utilizadas do NGS na segurança alimentar é o Sequenciamento Completo do Genoma (WGS), em que o DNA completo de um organismo é sequenciado.
Esse método também permite a caracterização de resistência antimicrobiana, bem como identificação de variantes genéticas.
O processo começa com o controle de qualidade das leituras de NGS, que prepara os dados de sequência para a análise. Em seguida, os genomas de referência mais adequados são identificados para classificar as espécies bacterianas presentes na amostra.
Outras etapas, como a caracterização da resistência antimicrobiana (AMR) e a detecção de variantes, por exemplo, complementam a pesquisa ao identificar mutações prejudiciais ou características de resistência.
Além disso, o WGS permite a construção de árvores filogenéticas, que ajudam a rastrear surtos e entender a origem da contaminação, fornecendo informações cruciais para que as autoridades de saúde possam agir de forma rápida.
Principais etapas do sequenciamento completo do genoma com NGS:
- Controle de qualidade das leituras (NGS Read QC);
- Identificação do Genoma de Referência;
- Caracterização de Resistência Antimicrobiana (AMR);
- Detecção de Variantes e Análise Filogenética;
- Construção de Árvores de K-mer, SNP e Árvores de Distância Mínima para o Rastreamento de Surtos.
2. Perfil Taxonômico de comunidades bacterianas
Além do sequenciamento de isolados individuais, o perfil taxonômico usando NGS oferece uma visão mais abrangente das comunidades microbianas presentes nas amostras alimentares.
Isso é fundamental para monitorar não apenas os patógenos conhecidos, mas também bactérias menos estudadas ou não cultiváveis que podem contribuir para a deterioração ou contaminação dos alimentos.
Esse processo pode ser realizado por meio duas abordagens principais:
Perfil Baseado em Amplicons
Nesse método, regiões altamente conservadas dos genomas bacterianos, como o gene 16S rRNA, são sequenciadas para identificar várias espécies bacterianas. Os resultados são agrupados em Unidades Taxonômicas Operacionais (OTUs), representando as espécies bacterianas presentes na amostra alimentar.
Metagenômica Shotgun
Esse método oferece uma abordagem mais direta, sequenciando todo o DNA presente na amostra, mas sem depender da amplificação por PCR. Assim, é possível evitar potenciais vieses e permitir a detecção de todas as espécies, incluindo microrganismos desconhecidos ou não cultiváveis.
Essa técnica proporciona uma visão imparcial e abrangente das comunidades microbianas ao longo da cadeia de produção de alimentos, facilitando assim a detecção precoce de contaminantes.
Vantagens do Perfil Taxonômico
- Detecção imparcial de uma ampla gama de espécies microbianas;
- Permite a detecção de organismos não cultiváveis;
- Fornece informações sobre a composição geral do microbioma.
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Benefícios do NGS na segurança alimentar
O NGS oferece diversas vantagens em relação aos métodos tradicionais, incluindo:
Visão abrangente das comunidades microbianas
O NGS permite a identificação tanto de espécies bacterianas conhecidas quanto desconhecidas, oferecendo uma compreensão mais ampla da composição microbiana nas amostras de alimentos.
Assim, é possível tomar medidas preventivas para garantir a segurança dos produtos antes que surtos ocorram.
Rapidez e eficiência
Os fluxos de trabalho baseados em NGS reduzem significativamente o tempo necessário para detectar contaminações, de semanas (no caso do cultivo) para apenas alguns dias, permitindo respostas mais rápidas em casos de recall de produtos, por exemplo.
Tipagem de cepas e detecção de surtos
O NGS oferece alta resolução para rastrear a origem exata de uma contaminação, facilitando a identificação de conexões entre surtos e produtos contaminados.
Automação e escalabilidade
Em contraste com métodos tradicionais que exigem trabalho manual intensivo, o NGS pode ser automatizado e escalado para lidar com grandes volumes de dados e múltiplas amostras simultaneamente.
Isso o torna uma opção atraente para monitoramento de alta produtividade em grandes instalações de processamento de alimentos.
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Casos de uso e aplicações
Empresas de alimentos e centros de pesquisa estão adotando o NGS para estabelecer e monitorar perfis microbianos ao longo da cadeia produtiva.
Por exemplo, cientistas de uma empresa global de laticínios estão utilizando o QIAGEN CLC Genomics Workbench para realizar a análise metagenômica.
O objetivo é estabelecer um perfil microbiômico “normal” para os produtos lácteos, bem como monitorar quaisquer desvios que possam estar associados à deterioração dos alimentos.
As vantagens dessa abordagem incluem a disponibilidade de kits de preparo de biblioteca, tecnologia de sequenciamento, software “plug-and-play”, além de um tempo de análise mais rápido.
Essa velocidade melhora significativamente o tempo de resposta, pois permite ações preventivas rápidas para evitar a contaminação dos produtos.
Outras aplicações de NGS
- Monitoramento da diversidade microbiana em linhas de produção de alimentos;
- Rastreamento de resistência antimicrobiana;
- Detecção de fraudes alimentares;
- Rastreio de surtos e identificação da fonte de contaminação.
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Desafios e considerações
Embora o NGS ofereça muitos benefícios, há desafios que precisam ser superados para sua adoção em larga escala:
Complexidade dos dados
A análise de dados de NGS requer ferramentas computacionais robustas e expertise em bioinformática, o que pode ser uma barreira para laboratórios menores.
Bancos de dados de referência
O sucesso do perfil taxonômico depende da precisão dos bancos de dados de referência. Ou seja, falsos positivos e negativos podem ocorrer caso as espécies não estejam devidamente representadas no banco de dados.
Custo
Embora o custo do sequenciamento tenha caído significativamente, ele ainda pode ser um fator a ser considerado para operações menores, especialmente ao incluir a infraestrutura de bioinformática necessária.
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Referências
QIAGEN. The use of NGS in food and feed safety. https://digitalinsights.qiagen.com/news/blog/discovery/the-use-of-ngs-in-food-and-feed-safety/ (acessado em 15 de outubro de 2024).
QIAGEN. Sequenciamento de Nova Geração. https://qiagen.com.br/ngs/ (acessado em 15 de outubro de 2024).
