Las esporas microbianas con código de barras de ADN pueden rastrear el origen de productos agrícolas

Cada año, se estima que 48 millones de estadounidenses se enferman de enfermedades transmitidas por alimentos, lo que resulta en unas 128.000 hospitalizaciones y 3.000 muertes, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE.UU.

14 junio 2020 |

Este problema de salud pública se ve agravado por miles de millones en daños económicos por el retiro de productos, lo que pone de relieve la necesidad de determinar de forma rápida y precisa las fuentes de enfermedades transmitidas por los alimentos.

Sin embargo, con la creciente complejidad de las cadenas de suministro mundiales para la gran cantidad de alimentos disponibles para los consumidores, la tarea de localizar el origen exacto de los artículos contaminados puede ser difícil.

En una solución novedosa que puede ayudar a determinar el origen de los productos agrícolas y otros bienes, los científicos de la Facultad de Medicina de Harvard han desarrollado un sistema microbiano con código de barras de ADN que puede usarse para etiquetar objetos de manera económica, escalable y confiable.

Reportando en Science el 4 de junio, el equipo de investigación describe cómo las esporas microbianas sintéticas se pueden introducir de forma segura en objetos y superficies en un punto de origen, como un campo o , y se pueden detectar e identificar meses después.

Las esporas se derivan de la levadura de panadería y una cepa bacteriana común utilizada en una amplia variedad de aplicaciones, como los suplementos dietéticos probióticos, y están diseñadas para ser incapaces de crecer en la naturaleza para evitar efectos ecológicos adversos.

"Las esporas son, en muchos sentidos, una solución de la vieja escuela y se han rociado de forma segura sobre productos agrícolas como inoculantes del suelo o pesticidas biológicos durante décadas. Acabamos de agregar una pequeña secuencia de ADN que podemos amplificar y detectar", dijo Michael Springer, autor asociado del estudio. profesor de biología de sistemas en el Instituto Blavatnik en HMS.

"También trabajamos duro para asegurarnos de que este sistema sea seguro, utilizando cepas microbianas comunes y construyendo múltiples niveles de control", agregó Springer. "Esperamos que pueda usarse para ayudar a resolver problemas que tienen enormes implicaciones económicas y de salud pública".

En los últimos años, los científicos han aprendido mucho sobre las interacciones entre los microbios y sus entornos. Los estudios muestran que las comunidades microbianas en los hogares, en los teléfonos celulares, en los cuerpos humanos y más tienen composiciones únicas, similares a las huellas digitales. Sin embargo, los intentos de usar huellas digitales microbianas para identificar la procedencia pueden llevar mucho tiempo y no se pueden escalar fácilmente.

En principio, se ha demostrado que el uso de secuencias de ADN sintetizadas a medida como códigos de barras es eficaz para etiquetar alimentos y otros artículos. Para ser ampliamente útiles, los códigos de barras de ADN deben producirse a bajo costo en grandes volúmenes, persistir en objetos en entornos muy variables y deben poder decodificarse de manera confiable y rápida, obstáculos que hasta ahora no se han superado porque el ADN es frágil.

Embalaje de alta resistencia

En su estudio, Springer y sus colegas se propusieron determinar si los códigos de barras de ADN empaquetados dentro de las esporas microbianas, que se pueden rociar sobre los cultivos e identificar meses después, podrían ayudar a resolver estos desafíos.

Muchos microorganismos, incluidas bacterias, levaduras y algas, forman esporas en respuesta a las duras condiciones ambientales. Análogamente a las semillas, las esporas permiten que los microorganismos permanezcan inactivos durante períodos extraordinariamente largos y sobrevivan a condiciones extremas como altas temperaturas, sequía y radiación UV.

El equipo de investigación creó secuencias de ADN a medida que integraron en los genomas de las esporas de dos microorganismos: Saccharomyces cerevisiae, también conocida como levadura de panadería, y Bacillus subtilis, una bacteria común y extendida que tiene numerosos usos comerciales, incluso como una dieta probiótica, un inoculante del suelo y un agente de fermentación en ciertos alimentos. Estas esporas se pueden cultivar a bajo costo en el laboratorio en grandes cantidades.

Las secuencias de ADN sintético son cortas y no codifican ningún producto proteico, y por lo tanto son biológicamente inertes. Insertadas en el genoma en conjunto, las secuencias están diseñadas para que se puedan crear miles de millones de códigos de barras únicos.

El equipo también se aseguró de que las esporas con código de barras de ADN no pudieran multiplicarse, crecer y propagarse en la naturaleza. Lo hicieron utilizando cepas microbianas que requieren suplementos nutricionales específicos y eliminando los genes necesarios para que las esporas germinen y crezcan. Los experimentos que involucraron desde cientos de millones hasta más de un billón de esporas modificadas confirmaron que no pueden formar colonias.

Para leer los códigos de barras de ADN, los investigadores utilizaron una herramienta económica basada en CRISPR que puede detectar la presencia de un objetivo genético rápidamente y con alta sensibilidad. La tecnología, llamada SHERLOCK, se desarrolló en el Broad Institute of MIT y Harvard, en una colaboración dirigida por los miembros del instituto James Collins y Feng Zhang.

"Las esporas pueden sobrevivir en la naturaleza durante un tiempo extremadamente largo y son un gran medio para incorporar códigos de barras de ADN", dijo el coautor del estudio Jason Qian, un estudiante graduado en biología de sistemas en HMS. "Identificar los códigos de barras es sencillo, utilizando un lector de placas y un filtro de plástico naranja en la cámara de un teléfono celular. No prevemos ningún desafío para la implementación en el campo".

Mundo real

El equipo examinó la eficacia de su sistema de esporas microbianas con código de barras a través de una variedad de experimentos.

Cultivaron plantas en el laboratorio y rociaron cada planta con diferentes esporas con código de barras. Una semana después de la inoculación, se cosecharon una hoja y una muestra de suelo de cada maceta. Las esporas se detectaron fácilmente, e incluso cuando las hojas se mezclaron, el equipo pudo identificar de qué maceta provenía cada hoja.

Cuando se roció sobre hierba afuera y se expuso al clima natural durante varios meses, las esporas permanecieron detectables, con una mínima propagación fuera de la región inoculada. En ambientes como arena, tierra, alfombra y madera, las esporas sobrevivieron durante meses sin pérdida de tiempo, y fueron identificadas después de perturbaciones como aspirar, barrer y simular viento y lluvia.

Es muy probable que las esporas persistan a través de las condiciones de una cadena de suministro del mundo real, según los investigadores. Como prueba de principio, probaron docenas de productos agrícolas comprados en la tienda para detectar la presencia de esporas de Bacillus thuringiensis (Bt), una especie bacteriana que se usa ampliamente como pesticida. Identificaron correctamente todas las plantas Bt-positivas y Bt-negativas.

En experimentos adicionales, el equipo construyó un arenero interior de 100 metros cuadrados (~ 1.000 pies cuadrados) y descubrió que la propagación de esporas era mínima después de meses de viento simulado, lluvia y disturbios físicos.

También confirmaron que las esporas se pueden transferir a los objetos desde el medio ambiente. Las esporas se identificaron fácilmente en los zapatos de las personas que caminaron por el arenero, incluso después de caminar durante varias horas en superficies que nunca estuvieron expuestas a las esporas. Sin embargo, las esporas no se pudieron detectar en estas superficies, lo que sugiere que los objetos retienen las esporas sin una propagación significativa.

Esta característica, anotó el equipo, podría permitir el uso de esporas para determinar si un objeto ha pasado a través de un área inoculada. Probaron esto dividiendo el arenero en rejillas, cada una etiquetada con hasta cuatro esporas con códigos de barras diferentes. Las personas y un automóvil de control remoto navegaron por el arenero.

Descubrieron que podían identificar las cuadrículas específicas por las que pasaban los objetos con un mínimo de falsos positivos o negativos, lo que sugiere una posible aplicación como herramienta complementaria para el análisis forense o la aplicación de la ley.

El equipo también consideró posibles implicaciones de privacidad, señalando que las tecnologías existentes como los tintes UV,  rastreo de  y el reconocimiento facial ya se usan ampliamente, pero siguen siendo controvertidos.

"Como científicos, nuestra tarea es resolver los desafíos científicos, pero al mismo tiempo queremos asegurarnos de reconocer las implicaciones sociales más amplias", dijo Springer. "Creemos que las esporas con código de barras son las más adecuadas para aplicaciones agrícolas e industriales y serían ineficaces para la vigilancia humana". En cualquier caso, el uso y la adopción de esta tecnología debe hacerse teniendo en cuenta las cuestiones de ética y privacidad, dijeron los autores del estudio.

Los investigadores ahora están explorando formas de mejorar el sistema, incluida la ingeniería de posibles mecanismos de cambio de muerte en las esporas, encontrando formas de limitar la propagación y examinando si las  se pueden usar para proporcionar información temporal sobre el historial de ubicaciones.

"Los brotes de patógenos nocivos transmitidos por los alimentos como la listeria, la salmonela y la E. coli ocurren de forma natural y frecuente", dijo Springer. "Las herramientas de biología sintética simples y seguras y el conocimiento de biología básica nos permiten crear cosas que tienen mucho potencial para resolver problemas de seguridad del mundo real".

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