Bioinformatiikka vauhdittaa elintarvikealaa

Tänä päivänä puhutaan yleisesti nutrigenomiikasta, mikrobiomista, foodomista ja jopa juustomiikasta. Kaikille niille on yhteistä suurten tietomäärien käsittelytarve. Yleisimmin tiedolla tarkoitetaan kokonaisia genomeja ja transkriptomeja, mutta se voi sisältää paljon muutakin.

Bioinformatiikka on jatkuvasti laajeneva kokoelma välineitä, joiden avulla näihin suuriin ja monimutkaisiin tiedostoihin piiloutunutta tietoa pyritään avaamaan, tulkitsemaan ja hyödyntämään. Pitkään bioinformatiikka oli käytössä lähinnä tutkimuslaboratorioissa, mutta tarve sen soveltamiseen jokapäiväisessä käytössä on tullut yhä tärkeämmäksi. Mahdollisuudet paranevat koko ajan laitteiden halpenemisen ja suorituskyvyn kasvun sekä tietokantojen ja ohjelmistojen paranemisen myötä.

Bioinformatiikan ja sen perustana olevan tiedon tärkeimmät sovellukset elintarvikealalla liittyvät ruuan laatuun ja turvallisuuteen sekä moninaisiin tuotekehitysprojekteihin etupäässä mikrobeilla.

Käymisprosessissa hyödynnettävien mikrobien tyyppi vaikuttaa suuresti tuotteiden, kuten leivän, juuston ja jugurtin ominaisuuksiin. Kehittynyt elintarviketeollisuus pyrkii erittäin aktiivisesti optimoimaan mikrobikantoja monipuolistaakseen tuotteiden ominaisuuksia kuten makua ja tuoksua (flavoria) ja rakennetta eli tekstuuria ja kontrolloidakseen käymisprosessia parhaiksi havaituilla mikrobiviljelmillä.

Mikrobikantojen optimoinnissa tarvitaan syvällistä asiantuntemusta. Omiikoita ja bioinformatiikkaa käytetäänkin yhä enemmän tukemaan yritys-erehdys-taktiikkaa ja ennustamaan mikrobin toimintaa.

Tiedon louhintaa verkosta

Yleisimmin tietoa lähdetään louhimaan mikro-organismin koko genomin kattavasta DNA-sekvenssistä. Sekvenssi on alun perin sekalaisina palasina, ja osaset pitää ensin liimata yhteen oikeassa järjestyksessä, eli assembloida. Tätä vaihetta seuraa yleensä annotointi, jossa pyritään etsimään sekvenssistä geenit ja niille funktio. Jatkotoimille voidaan kehittää eri ohjelmista ja tietokannoista koostuva automaattinen prosessi.

Yksinkertaisimmillaan prosessi voi olla sellaisenaan saatavilla verkosta, tai se voidaan rakentaa yhdistelemällä verkosta löytyviä valmiita ohjelmia ja tietokantoja. Tuloksena voi olla esimerkiksi bakteerin taksonominen tunnistus tai genomin sisältämät antibioottiresistenssi- ja virulenssigeenit. Tekniikkaa voidaan käyttää määrittämään yksittäisen mikrobi-isolaatin koko genomi tai analysoida sekvenssejä biologisesta näytteestä, jossa on monia mikrobeja (metagenomiikka).

Lähisukuisten mikrobikantojen vertailulla voidaan päästä käsiksi haluttuja ominaisuuksia antaviin geeneihin. Genomi-mittakaavan mallinnuksella voidaan löytää vaihtoehtoisia (halvempia) raaka-aineita ja optimoida tuotteen saantoa. Pienet mikrobigenomit eivät vaadi tietokoneelta erityisen suurta suorituskykyä, joten geenien ja biosynteesireittien tarkastelua voidaan tehdä jossakin määrin vaikkapa kotikoneella etätyönä.

Juustomiikkaa ja viiniä

Juustossa on monenlaisia mikrobiyhteisöjä, bakteereja, hiivoja ja homeita, jotka riippuvat lisätystä mikrobiviljelmästä, mutta myös raakamaidosta (erityisesti perinteisissä tai pastöroimattomissa juustoissa) ja juustolaympäristöstä tulevista mikrobeista. Nämä vaihtelevat juustotyypin mukaan ja vaikuttavat keskeisesti lopputuotteen flavoriin, laatuun ja turvallisuuteen.

Juuston mikrobiyhteisöistä ja niiden osallisuudesta juuston kypsymiseen löytyy monia tutkimuksia. Genomien sekvensointi ja bioinformatiikka ovat antaneet paljon syvällisempää tietoa, kuin olisi saatu perinteisillä viljelyyn perustuvilla menetelmillä. Juustojen kypsymisprosessin ymmärtämistä ja flavorin, laadun, rakenteen ja turvallisuuden ennustamista voidaan edelleen parantaa yhdistämällä genomitietoon tietoa muista omiikoista: proteomiikasta, metabolomiikasta ja metatranskriptomiikasta. Esimerkiksi erään juuston pinnan bakteeriflooran metagenomin ja metatranskriptomin sekvensointi raportoitiin jo vuonna 2014.

Uusin trendi viineissä on yhdistää teollisen käymisen turvallisuus spontaanin käymisen aikaansaamiin paikallisiin vivahteisiin. Tässä auttavat koko viininvalmistuksen mikrobipopulaation dynamiikan tuntemus sekä mikrobiomin ja viinin laadun välinen suhde. Viinin flavoriprofiilia voidaan sitten muokata joko muuttamalla käymisolosuhteita tai mikrobeja.

Brändäys, aitous ja jäljitettävyys

Elintarvikkeesta voidaan jäljittää nopeasti ja tarkasti tiettyjä mikrobikantoja genomitietoon perustuvilla uusilla menetelmillä. Tämä mahdollistaa sekä erikoistuotteiden brändäyksen että niiden jäljitettävyyden, mikä perustuu mikrobin tai mikrobiyhteisön erityiskoodiin.

Ruuan aitous on tärkeää sekä kuluttajille, valvontaviranomaisille, tuottajille että valmistajille. Väärennökset heikentävät kuluttajien luottamusta ja turvallisuutta. Perinteiset menetelmät kuten vasta-aineisiin (ELISA) tai polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvat testit edellyttävät, että tiedetään, mitä ainesosia tuotteessa on. Genomianalyysin ja bioinformatiikan avulla voidaan tunnistaa käytännössä mikä laji tahansa mutkikkaasta matriisista, esimerkiksi yrttiseoksesta tai prosessoiduista kalatuotteista.

Monimutkaisia elintarvikematriiseja käytetään genomiseulonnassa, kun vaaditaan ainesosien täydellinen kuvaus. Hunajan maantieteellinen alkuperä voidaan jäljittää, koska hunajassa on yleensä jäljellä siitepölyä tai siitä vapautunutta DNA:ta. Lampaanmaidon käyttö vuohenjuustossa voidaan havaita.

Vuonna 2014 löydettiin rehun lisäaineena käytettävästä B2-vitamiinista eläviä tuotantokannan itiöitä. Bakteerin genomin analysointi osoitti, ettei tuotteelle ollut haettu käyttölupaa EU:ssa.

Ruuan mikrobiologinen laatu ja turvallisuus

Mikrobit muuttavat raaka-aineet halutuiksi lopputuotteiksi ja vaanivat saastuttamasta ja pilaamasta ruokia. Genomin sekvensointi on otettu käyttöön elintarvikeperäisten patogeenien seurannassa jo monissa maissa. Genomitiedon ja epidemiologiset havainnot yhdistämällä pystytään jäljittämään entistä paremmin esimerkiksi ruokamyrkytyksen lähde ja leviämisreitti ja päättelemään, ovatko eri pisteissä havaitut myrkytykset saman patogeenisen bakteerikannan aiheuttamia.

Tämä teknologia syrjäyttää ainakin osittain perinteisen mikrobiologisen serotyypityksen, antibioottiresistenssin määrittämisen ja virulenssiprofiloinnin. Tulokset saadaan nopeammin, ne ovat täsmällisempiä, ja niillä on parempi erottelukyky kuin perinteisellä molekyylityypityksellä. Uusiin tekniikoihin liittyy vielä merkittäviä epävarmuustekijöitä erityisesti antibioottiresistenssin suhteen.

Yrityksille tukea bioinformatiikassa

Bioinformatiikka on yksi Biosafen tärkeimpiä tehtäviä. Menetelmäkehityksen ytimessä on bioinformaatikko, FT Daniel Blande. Toimeksiantojen sujuvuudesta ja tulosten tulkinnasta vastaa FT Jenny Makkonen. Heidän lisäkseen toimeksiantojen parissa työskentelee yhdestä kolmeen tohtoria tilanteen mukaan.

Useimmiten toimeksianto koskee tarvetta varmistaa mikrobilaji ja sen genomin sisältämät mahdolliset haittageenit sekä suorittaa tulosten pohjalta tieteellinen riskinarviointi. Raportit päätyvät tavallisesti hakemuksiin, joilla pyritään saamaan myyntilupa joko mikrobille tai sen tuottamalle molekyylille. Kyseessä on tällöin yleensä rehun lisäaine, probiootti tai elintarvike-entsyymi.

Genomitietoa tarvitaan myös suunniteltaessa menetelmää, jolla voidaan osoittaa mikrobituotteesta tuotanto-organismi, geenejä tai DNA:ta. Merkittävä osa toimeksiannoista kohdistuu lisäksi tuotekehitysvaiheeseen, jossa seulotaan hyvistä mikrobiehdokkaista jatkoon turvallisimmat. Työ on mielenkiintoista ja haastavaa varsinkin silloin, kun eteen tulee eksoottisia mikrobilajeja, joista ei ole julkisissa tietokannoissa juuri mitään tietoa.

Termit tutuiksi

• Genomi: eliön koko perimäaines, yleensä DNA:ta.
• Transkriptomi: solun, kudoksen, elimen tai organismin kaikkien RNA-molekyylien muodostama kokonaisuus tietyllä ajanhetkellä.
• Sekvensointi: DNA:n sekvensointi on prosessi, jossa määritetään neljän nukleotidin (A, G, C, T) tarkka järjestys DNA-molekyylissä. Uuden sukupolven sekvensointitekniikoilla voidaan selvittää mikrobin koko perimä yhdessä sekvensointiajossa.
• Bioinformatiikka: Bioinformatiikka on monitieteinen tutkimusala, joka kehittää ja käyttää erilaisia matematiikan, tietojenkäsittelytieteen sekä tilastotieteen menetelmiä biologisten ongelmien ratkaisuun. Mikrobien tunnistamisen ja turvallisuuden arvioinnin yhteydessä bioinformatiikan avulla järjestetään ja rakennetaan lyhyistä sekvenssijaksoista kokonaisia genomeja ja tunnistetaan lajeja ja niiden mahdollisesti sisältämiä riskigeenejä sekvenssin perusteella.
• Mikrobiomi: Mikrobiomi kuvaa mikrobiyhteisöä, joka löytyy esimerkiksi juustosta, viinistä tai vaikkapa ihmisen ihosta tai suolistosta. Mikrobiomitutkimus pyrkii selvittämään mikrobiyhteisön lajikirjoa ja rakennetta tietyissä olosuhteissa.