Секвенирование нового поколения и его применение в исследовании микробиома молочных продуктов

В последние годы стремительное развитие научных исследований, направленных на изучение микробиологических сообществ, привело к появлению новых молекулярных методов. Среди них технология секвенирования нового поколения (Next Generation Sequencing, NGS) является одним из эффективных инструментов, позволяющих с высокой точностью и в короткие сроки исследовать генетический материал микроорганизмов. Данная технология широко применяется в изучении микробиома, обеспечивая возможность определения таксономического состава микроорганизмов, оценки их разнообразия и анализа функциональных возможностей.

Молоко и молочные продукты являются благоприятной средой для развития микроорганизмов, поэтому исследование их микробиологического состава имеет важное значение для обеспечения безопасности пищевых продуктов и контроля качества продукции. Использование технологии NGS открывает широкие возможности для определения структуры микробных сообществ в молоке и молочных продуктах, анализа их взаимодействий и оценки микробиологических факторов, влияющих на качество продукции.

В данной статье рассматриваются история развития технологии секвенирования нового поколения, методы метагеномного анализа и основные подходы к изучению микробиома. Кроме того, анализируются основные направления применения технологии NGS в исследовании микробиома молока и молочных продуктов. Результаты анализа литературных данных показывают, что технология NGS является важным научным инструментом для изучения микробиологического состава молочных продуктов и обеспечения безопасности пищевых продуктов.

1. Ferrocino I., Rantsiou K., Cocolin L. Investigating dairy microbiome: an opportunity to ensure quality, safety and typicity // Current Opinion in Biotechnology. – 2022. – Vol. 73. – P. 164–170. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2021.08.009

2. Ding R., Liu Y., Yang S., Liu Y., Shi H., Yue X., Wu J. High-throughput sequencing provides new insights into the roles and implications of core microbiota present in pasteurized milk // Food Research International. – 2020. – Vol. 137. – P. 109586. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109586

3. Goodwin S., McPherson J., McCombie W. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies // Nature Reviews Genetics. – 2016. – Vol. 17. – P. 333–351. https://doi.org/10.1038/nrg.2016.49

4. Handelsman J. Metagenomics: application of genomics to uncultured microorganisms // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2004. – Vol. 68(4). – P. 669–685. https://doi.org/10.1128/MMBR.68.4.669-685.2004

5. Park W., Yoo J., Oh S., Ham J.S., Jeong S.G., Kim Y. Microbiological characteristics of Gouda cheese manufactured with pasteurized and raw milk during ripening using next generation sequencing // Food science of animal resources. – 2019. – Vol. 39(4). – P. 585. https://doi.org/10.5851/kosfa.2019.e49

6. Jagadeesan B., Gerner-Smidt P., Allard M. The use of next generation sequencing for improving food safety // Frontiers in Microbiology. – 2019. – Vol. 79. – P. 96–115. https://doi.org/10.1016/j.fm.2018.11.005

7. Watson J, Crick F. Molecular structure of nucleic acids // Nature. – 1953. – Vol. 171. – P. 709-756. https://doi.org/10.1038/171737a0

8. Zallen D T. Despite Franklin’s work, Wilkins earned his Nobel // Nature. – 2003. – Vol. 425. – P. 15. https://doi.org/10.1038/425015b

9. Sanger F., Nicklen S., Coulson A.R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1977. – Vol. 74. – P. 5463-5467. https://doi.org/10.1073/pnas.74.12.5463

10. Pervez M.T., Hasnain M.J., Abbas S.H. A comprehensive review of performance of nextgeneration sequencing platforms // BioMed Research International. – 2022. – P. 3457806. https://doi.org/10.1155/2022/3457806

11. Song E.J., Lee E.S., Nam Y.D. Progress of analytical tools and techniques for human gut microbiome research // J Microbiol. – 2018. – Vol. 56. – P. 693–705. https://doi.org/10.1007/s12275-0188238-5

12. Thursby E., Juge N. Introduction to the human gut microbiota // Biochem J. – 2017. – Vol. 474. – P. 1823–1836. https://doi.org/10.1042/BCJ20160510

13. Turnbaugh P.J., Ley R.E., Hamady M., Fraser-Liggett C.M., Knight R., Gordon J.I. The human microbiome project // Nature. – 2007. – Vol. 449. – P. 804–810. https://doi.org/10.1038/nature06244

14. Tringe S.G., Rubin E.M. Metagenomics: DNA sequencing of environmental samples // Nat Rev Genet. – 2005. – Vol. 6. – P. 805–814. https://doi.org/10.1038/nrg1709

15. Riesenfeld C.S., Schloss P.D., Handelsman J. Metagenomics: genomic analysis of microbial communities // Annu Rev Genet. – 2004. – Vol. 38. – P. 525–552. https://doi.org/10.1146/annurev.genet.38.072902.091216

16. Qin J., Li R., Raes J. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing // Nature. – 2010. – Vol. 464. – P. 59–65. https://doi.org/10.1038/nature08821

17. Vetrovsky T., Baldrian P. The variability of the 16S rRNA gene in bacterial genomes and its consequences for bacterial community analyses // PLoS ONE. – 2013. – Vol. 8. – P. e57923. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057923

18. Stackebrandt E., Goebel B.M. Taxonomic note: a place for DNADNA reassociation and 16S rRNA sequence analysis in the present species definition in bacteriology // Int J Syst Evol Microbiol. – 1994. – Vol. 44. – P. 846–849. https://doi.org/10.1099/00207713-44-4-846

19. Yarza P., Yilmaz P., Pruesse E. Uniting the classification of cultured and uncultured bacteria and archaea using 16S rRNA gene sequences // Nat Rev Microbiol. – 2014. – Vol. 12. – P. 635–645. https://doi.org/10.1038/nrmicro3330

20. McDonald D., Price M.N., Goodrich J. An improved Greengenes taxonomy with explicit ranks for ecological and evolutionary analyses of bacteria and archaea // ISME J. – 2012. – Vol. 6. – P. 610–618. https://doi.org/10.1038/ismej.2011.139

21. Walker J.N., Hanson B.M., Pinkner C.L. Insights into the microbiome of breast implants and periprosthetic tissue in breast implant-associated anaplastic large cell lymphoma // Sci Rep. – 2019. – Vol. 9. – P. 10393. https://doi.org/10.1038/s41598-019-46535-8

22. Sharpton T.J. An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data // Front Plant Sci. – 2014. – Vol. 5. – P. 209. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00209

23. Nash A.K., Auchtung T.A., Wong M.C. The gut mycobiome of the human microbiome project healthy cohort // Microbiome. – 2017. – Vol. 5. – P. 153. https://doi.org/10.1186/s40168-017-0373-4

24. Xia L.C., Cram J.A., Chen T., Fuhrman J.A., Sun F. Accurate genome relative abundance estimation based on shotgun metagenomic reads // PLoS ONE. – 2011. – Vol. 6. – P. e27992. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0027992

25. Compeau P.E., Pevzner P.A., Tesler G. How to apply de Bruijn graphs to genome assembly // Nat Biotechnol. – 2011. – Vol. 29. – P. 987–991. https://doi.org/10.1038/nbt.2023

26. Ayling M., Clark M.D., Leggett R.M. New approaches for metagenome assembly with short reads // Brief Bioinform. – 2019. – Vol. 21(2). – P. 584–594. https://doi.org/10.1093/bib/bbz020

27. Claesson M.J., Clooney A.G., O’Toole PW. A clinician’s guide to microbiome analysis // Nat Rev Gastroenterol Hepatol. – 2017. – Vol. 14. – P. 585–595. https://doi.org/10.1038/nrgastro.2017.97

28. Wood D.E., Salzberg S.L. Kraken: ultrafast metagenomic sequence classification using exact alignments // Genome Biol. – 2014. – Vol. 15 (r46). https://doi.org/10.1186/gb-2014-15-3-r46

29. Quigley L., McCarthy R., O'Sullivan O., Beresford T.P., Fitzgerald G.F., Ross R.P., Cotter P.D. The microbial content of raw and pasteurized cow milk as determined by molecular approaches // Journal of Dairy Science. – 2013. – Vol. 6(8). – P. 4928–4937. https://doi.org/10.3168/jds.2013-6688

30. Zhang M., Dang N., Ren D., Zhao F., Lv R., Ma T., Liu W. Comparison of bacterial microbiota in raw mare’s milk and koumiss using PacBio single molecule real-time sequencing technology // Frontiers in Microbiology. – 2020. – Vol. 11. – P. 581610. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.581610

31. Cao H., Yan Y., Wang L., Dong L., Pang X., Tang S., Li A., Xiang A., Zhang L., Zheng, B. High-Throughput Sequencing Reveals Bacterial Diversity in Raw Milk Production Environment and Production Chain in Tangshan City of China // Food science of animal resources. – 2021. – Vol. 41(3). – P. 452–467. https://doi.org/10.5851/kosfa.2021.e10

32. Quigley L., O’Sullivan O., Stanton C. et al. The complex microbiota of raw milk // FEMS Microbiology Reviews. – 2013. – Vol. 37. – P. 664–698. https://doi.org/10.1111/1574-6976.12030

33. Ding R., He K., Wu R., Lou M., Liu Z., Piao Y., Wu J. Research on the quality deterioration of ultrahigh temperature milk products during shelf life: Core microorganisms and related characteristics // Food Science and Human Wellness. – 2024. – Vol. 13(5). – P. 2866-2875. https://doi.org/10.26599/FSHW.2022.9250232

34. Breitenwieser F., Doll E.V., Clavel T., Scherer S., Wenning M. Complementary use of cultivation and high-throughput amplicon sequencing reveals high biodiversity within raw milk microbiota // Frontiers in Microbiology. – 2020. – Vol. 11. – P. 1557. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01557

35. Ding F., Krasilnikova A.A., Leontieva M.R., Stoyanova L.G., Netrusov A.I. Analysis of kefir grains from different regions of the planet using high-throughput sequencing // Moscow University Biological Sciences Bulletin. – 2022. – Vol. 77(4). – P. 286-291. https://doi.org/10.3103/S0096392522040010

36. Walsh A.M., Crispie F., Kilcawley K., O’Sullivan O., O’Sullivan M.G., Claesson M.J., Cotter P.D. Microbial succession and flavor production in the fermented dairy beverage kefir // American society for microbiology . – 2016. – Vol. 1(5). https://doi.org/10.1128/msystems.00052-16

37. Ercolini D., De Filippis F., La Storia A., Iacono M. Remake by high-throughput sequencing of the microbiota involved in the production of water buffalo Mozzarella cheese // Applied and Environmental Microbiology. – 2012. – Vol. 78(22). – P. 8142–8145. https://doi.org/10.1128/AEM.02218-12

38. Rocha R., Vaz Velho M., Santos J., Fernandes P. Serra da estrela pdo cheese microbiome as revealed by next generation sequencing // Microorganisms. – 2021. – Vol. 9(10). – P. 2007. https://doi.org/10.3390/microorganisms9102007