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Next Generation Sequencing (NGS) von Bakterien als neues Werkzeug in der Lebensmittelmikrobiologie

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Next Generation Sequencing (NGS) als Alternative zu klassischen Typisierungsverfahren

2018. Stetig fallende Kosten und kürzer werdende Analysezeiten für Next Generation Sequencing (NGS) Anwendungen machen diese neuartigen Technologien immer attraktiver für den Einsatz in der Lebensmittelanalytik. Für mikrobiologische Fragestellungen in Bezug auf Lebensmittelsicherheit und -qualität bietet sich sowohl die Ganzgenomsequenzierung (Whole Genome Sequencing, WGS) von Bakterien und Pilzen als auch Microbiota-Screening- und Metagenomics-Ansätze an.

Genomic Pathogen Surveillance (GPS) – der Wegweiser für pathogene Kontaminationen

Kontaminationen von Lebensmitteln mit pathogenen Mikroorganismen stellen ein ernstzunehmendes Problem für Lebensmittelproduzenten und Händler dar. Produktrückrufe oder schlimmstenfalls Krankheitsausbrüche durch kontaminierte Endprodukte können die Folge sein. Für den Produzenten können drei Stufen der Kontamination definiert werden:

  1. Einmalig aufgetretener Nachweis einer pathogenen Kontamination in der Produktion, keine kontaminierten Produkte sind auf den Markt gelangt.
  2. Wiederholt aufgetretener Nachweis einer pathogenen Kontamination in der Produktion (z.B. gleiche Produktionsstätte, verschiedene Fundorte; verschiedene Produktionsstätten) keine kontaminierten Produkte sind auf den Markt gelangt.
  3. Kontaminierte Produkte sind auf dem Markt, Rückrufaktion notwendig, eventuell bereits infizierte Konsumenten.

Eurofins Genomics kann mit seinem Service "Genomic Pathogen Surveillance (GPS)" den betroffenen Kunden auf allen Stufen der Kontamination analytisch wegweisend zur Seite stehen.

Durch Whole Genome Sequencing können gefundenen Bakterienstämme identifiziert und deren Verwandtschaftsgrad durch Vergleich der Genome ermittelt werden. Unterschiede/Ähnlichkeiten können anschaulich tabellarisch oder mittels phylogenetischer Bäume dargestellt werden. Unter Zuhilfenahme weiterer Informationen wie Datum und Ort der Probenahme kann so die Quelle der Kontamination gefunden werden. Sind bereits Konsumenten erkrankt, können in solchen Ausbruchsituationen die in den Patienten gefundenen Bakterienstämme mit denen aus Produktionsstätten abgeglichen und Hersteller oder deren Lieferanten als Verursacher des Ausbruchs ausgeschlossen oder bestätigt werden.

„Genomic Pathogen Surveillance (GPS)“ kann somit einen wichtigen Beitrag leisten um folgende Fragen zu beantworten:

  1. Stammen meine Kontaminationen alle aus derselben Quelle?
  2. Ist meine Kontamination (mit-)verantwortlich für einen aktuellen Krankheitsausbruch?

Staatliche Stellen wie beispielsweise das Robert-Koch-Institut in Deutschland und die Food & Drug Administration (FDA) in den USA arbeiten bereits mit Ganzgenomsequenzierung (WGS). Klassische Typisierungs-Verfahren (z.B. PFGE, MLVA, MLST) werden in den nächsten Jahren mehr und mehr von dieser Analytik abgelöst werden.  „Genomic Pathogen Surveillance (GPS)“ von Eurofins ermöglicht den Produzenten, ihre in-house-mikrobiologische Analytik auf den gleichen modernen Analysenlevel zu stellen und Diskussionen mit Behörden in Krisensituationen deutlich zu erleichtern.

Ganzgenomsequenzierung für die Überprüfung von Produktionsstämmen

Die Analytik kann aber nicht nur für Kontaminationsfragen eingesetzt werden. Es besteht genauso die Möglichkeit wertvolle Produktionsstämme mittels WGS zu analysieren. Die Kenntnis der gesamten Genomsequenz ermöglicht eine eindeutig Definition des Produktionsstammes und kann so beispielweise bei patentrechtlichen Fragestellungen genutzt werden.

Welche Mikroflora ist in meiner Probe? ⇒ Microbiota Screening und Metagenomics

Auch für die Analyse von komplexen bakteriellen oder pilzlichen Mischpopulation kann NGS eingesetzt werden. Die Microbiota Screening Services von Eurofins Genomics ermöglichen einen Gesamteinblick in die Mikroflora von beispielsweise Lebensmitteln, Fermentationsprozessen und Umweltproben durch die Sequenzanalyse von sog. Barcoding Regionen in der bakteriellen bzw. pilzlichen DNA. Die Identifizierung der Bakterien oder Pilze gelingt meist auf Art- oder Gattungsebene. Im umfangreicheren Metagenomics Ansatz wird die gesamte DNA einer komplexen Probe mit bakterieller/pilzlicher Mischpopulation mittels NGS untersucht und ermöglicht so sogar die Unterscheidung von Stämmen und Subspezies. Beide Techniken enthalten keinen zusätzlichen Anreicherungsschritt, so dass auch nicht-kultivierbare Mikroorganismen erfasst und identifiziert werden können.

Sie haben weitere Fragen dazu?  Sprechen Sie uns gerne an.

Weiterführende Informationen

  1. Nadon et al. (2017) PulseNet International: Vision for the implementation of whole genome sequencing (WGS) for global foodborne disease surveillance. Eurosurveillance, vol. 22 (23);
  2. U.S. Food & Drug Administration: Whole Genome Sequencing (WGS) Program
  3. Robert Koch Institut - MF 2: Genomsequenzierung