Todos os anos, estima-se que 48 milhões de americanos adoecem por doenças transmitidas por alimentos, resultando em cerca de 128.000 hospitalizações e 3.000 mortes, de acordo com os Centros dos EUA para Controle e Prevenção de Doena§as. Esse problema de saúde pública écomposto por bilhaµes de danos econa´micos causados ​​por recalls de produtos, destacando a necessidade de determinar com rapidez e precisão as fontes de doenças transmitidas por alimentos.

Com a crescente complexidade das cadeias globais de suprimentos para os inúmeros alimentos disponí­veis para os consumidores, no entanto, a tarefa de rastrear a origem exata dos itens contaminados pode ser difa­cil.

Em uma solução inovadora que pode ajudar a determinar a origem de produtos agra­colas e outros bens, os cientistas da Harvard Medical School (HMS) desenvolveram um sistema microbiano com ca³digo de barra de DNA que pode ser usado para rotular objetos de maneira barata, escala¡vel e confia¡vel.

Relatando na Science em 4 de junho, a equipe de pesquisa descreve como os esporos microbianos sintanãticos podem ser introduzidos com segurança em objetos esuperfÍcies em um ponto de origem, como um campo ou fa¡brica, e ser detectados e identificados meses depois.

Os esporos são derivados do fermento de padeiro e de uma cepa bacteriana comum usada em uma ampla variedade de aplicações, como suplementos alimentares probia³ticos, e projetados para serem incapazes de crescer na natureza para evitar efeitos ecola³gicos adversos.

“Os esporos são, sob muitos aspectos, uma solução antiga e foram pulverizados com segurança em produtos agra­colas como inoculantes do solo ou pesticidas biola³gicos por décadas. Acabamos de adicionar uma pequena sequaªncia de DNA que podemos amplificar e detectar ”, disse o autor do estudo, Michael Springer , professor associado de biologia de sistemas no Instituto Blavatnik do HMS.

"Tambanãm trabalhamos duro para garantir que esse sistema seja seguro, usando cepas microbianas comuns e construindo em vários na­veis de controle", acrescentou Springer. "Esperamos que possa ser usado para ajudar a resolver problemas que tem enormes implicações econa´micas e de saúde pública".

Nos últimos anos, os cientistas aprenderam muito sobre as interações entre micróbios e seus ambientes. Estudos mostram que comunidades microbianas em residaªncias , telefones celulares , corpos humanos e mais tem composições únicas, semelhantes a s impressaµes digitais. As tentativas de usar impressaµes digitais microbianas para identificar a proveniaªncia podem consumir muito tempo e não são facilmente dimensionadas.

O uso de seqa¼aªncias de DNA sintetizadas como ca³digos de barras mostrou-se, em princa­pio, eficaz para rotular alimentos e outros itens. Para serem amplamente aºteis, os ca³digos de barras do DNA devem ser produzidos de forma barata em grandes volumes, persistir em objetos em ambientes altamente varia¡veis ​​e capazes de serem decodificados de maneira confia¡vel e rápida - obsta¡culos que atéagora não foram superados porque o DNA éfra¡gil.

Em seu estudo, Springer e colegas decidiram determinar se ca³digos de barras de DNA embalados em esporos microbianos, que podem ser pulverizados nas plantações e identificados meses depois, poderiam ajudar a resolver esses desafios.

Muitos microorganismos, incluindo bactanãrias, leveduras e algas, formam esporos em resposta a condições ambientais adversas. Analogamente a s sementes, os esporos permitem que os microrganismos permanea§am inativos por períodos extraordinariamente longos e sobrevivam a condições extremas, como altas temperaturas, secas e radiação UV.

A equipe de pesquisa criou sequaªncias de DNA personalizadas que foram integradas aos genomas dos esporos de dois microorganismos - Saccharomyces cerevisiae , também conhecida como levedura de padeiro, e Bacillus subtilis, uma bactanãria comum que tem vários usos comerciais, incluindo probia³ticos alimentares, um inoculante do solo e um agente fermentador em certos alimentos. Esses esporos podem ser cultivados mais barato em laboratório em grandes números.

As sequaªncias sintanãticas de DNA são curtas e não codificam nenhum produto proteico e, portanto, são biologicamente inertes. Inseridas no genoma em conjunto, as sequaªncias são projetadas para que bilhaµes de ca³digos de barras exclusivos possam ser criados.

A equipe também garantiu que os esporos com ca³digo de barra de DNA não pudessem se multiplicar, crescer e se espalhar na natureza. Eles o fizeram usando cepas microbianas que requerem suplementação nutricional especa­fica e excluindo genes necessa¡rios para que os esporos germinem e cresa§am. Experimentos envolvendo de centenas de milhões a mais de um trilha£o de esporos modificados confirmaram que eles são incapazes de formar cola´nias.

Para ler os ca³digos de barras do DNA, os pesquisadores usaram uma ferramenta barata baseada em CRISPR que pode detectar a presença de um alvo genanãtico rapidamente e com alta sensibilidade. A tecnologia, chamada SHERLOCK , foi desenvolvida no Broad Institute of MIT e Harvard, em uma colaboração liderada pelos membros do instituto James Collins e Feng Zhang.

"Os esporos podem sobreviver na natureza por um tempo extremamente longo e são um a³timo meio para incorporar ca³digos de barras de DNA", disse o co-primeiro autor do estudo Jason Qian , estudante de biologia de sistemas do HMS. “A identificação dos ca³digos de barras édireta, usando uma fonte de luz azul, um filtro de pla¡stico laranja e uma ca¢mera de celular. Nãoprevemos nenhum desafio para a implantação em campo. ”

Eles cultivaram plantas em laboratório e pulverizaram cada planta com diferentes esporos com ca³digo de barras. Uma semana após a inoculação, uma folha e uma amostra de solo de cada vaso foram colhidas. Os esporos foram facilmente detectados e, mesmo quando as folhas foram misturadas, a equipe conseguiu identificar de qual vaso cada folha veio.

Quando pulverizados na grama do lado de fora e expostos ao clima natural por vários meses, os esporos permaneceram detecta¡veis, com dispersão ma­nima fora da regia£o inoculada. Em ambientes como areia, solo, carpete e madeira, os esporos sobreviveram por meses sem perda ao longo do tempo e foram identificados após distúrbios como aspirar, varrer e simular vento e chuva.

Em experimentos adicionais, a equipe construiu uma caixa de areia interna de 100 metros quadrados e descobriu que a propagação de esporos era ma­nima após meses simulados de vento, chuva e distúrbios fa­sicos.

Eles também confirmaram que os esporos podem ser transferidos para objetos do ambiente. Os esporos foram facilmente identificados nos sapatos das pessoas que caminhavam pela caixa de areia, mesmo depois de caminhar por várias horas emsuperfÍcies que nunca foram expostas aos esporos. No entanto, os esporos não puderam ser detectados nessassuperfÍcies, sugerindo que os objetos os retenham sem propagação significativa.

Essa caracterí­stica, observou a equipe, pode permitir que esporos sejam usados ​​para determinar se um objeto passou por uma área inoculada. Eles testaram isso dividindo a caixa de areia em grades, cada uma rotulada com atéquatro esporos com ca³digo de barras diferentes. Indiva­duos e um carro de controle remoto navegavam na caixa de areia.

Eles descobriram que podiam identificar as grades especa­ficas pelas quais os objetos passavam com o ma­nimo de falsos positivos ou negativos, sugerindo uma possí­vel aplicação como uma ferramenta complementar para forense ou aplicação da lei.

A equipe também considerou possa­veis implicações de privacidade, observando que tecnologias existentes, como corantes UV, rastreamento de telefones celulares e reconhecimento facial, já são amplamente utilizadas, mas permanecem controversas.

"Como cientistas, nossa responsabilidade éresolver desafios cienta­ficos, mas, ao mesmo tempo, queremos ter certeza de que reconhecemos implicações sociais mais amplas", disse Springer. "Acreditamos que os esporos com ca³digo de barras são mais adequados para aplicações agra­colas e industriais e seriam ineficazes para a vigila¢ncia humana".

Independentemente disso, o uso e a adoção dessa tecnologia devem ser feitos considerando as questões de anãtica e privacidade, disseram os autores do estudo.

Os pesquisadores agora estãoexplorando maneiras de melhorar o sistema, incluindo a engenharia de potenciais mecanismos de interrupção de interrupção nos esporos, encontrando maneiras de limitar a propagação e examinando se os esporos podem ser usados ​​para fornecer informações temporais sobre o hista³rico de localização.

"Surtos de patógenos prejudiciais transmitidos por alimentos, como listeria , salmonela e E. coli, ocorrem de forma natural e frequente", disse Springer. "Ferramentas simples e seguras de biologia sintanãtica e conhecimento de biologia ba¡sica nos permitem criar coisas que tem muito potencial na solução de problemas de segurança do mundo real".

Os autores co-primeiros do estudo incluem Zhi-xiang Lu, Christopher Mancuso, Han-Ying Jhuang,

Roca­o del Carmen Barajas-Ornelas e Sarah Boswell.

Autores adicionais incluem Fernando Rama­rez-Guadiana, Victoria Jones, Akhila Sonti, Kole Sedlack, Lior Artzi, Giyoung Jung, Mohammad Arammash, Mary Pettit, Michael Melfi, Lorena Lyon, Sia¢n Owen, Michael Baym, Ahmad Khalil, Pamela Silver e David Rudner. .