Sequenziamento e analisi genomica comparativa per la caratterizzazione di microrganismi di interesse agro-alimentare

La selezione di nuovi microrganismi per la produzione di alimenti fermentati innovativi e la valutazione della loro sicurezza richiedono metodi di analisi molecolari avanzati, tra i quali spicca la tecnologia del sequenziamento del genoma che rende possibile l'individuazione di tratti specifici del ceppo in esame (una sorta d’impronta digitale dello stesso) e l’analisi sia di caratteri negativi, come i geni per la resistenza agli antibiotici o coinvolti nella produzione di ammine biogene, dato fondamentale per le procedure di sicurezza e l'immissione in commercio di nuove colture, sia di caratteri positivi, quali i geni per la probiosi, valorizzando le potenzialità metaboliche di un ceppo. Da questo punto di vista il ceppo Bacillus coagulans GBI-30, 6086 rappresenta un caso studio interessante essendo uno dei ceppi probiotici più utilizzati e diffusi grazie ai suoi effetti benefici ampliamente dimostrati sulla salute umana (Jurenka, 2012) e alla sua capacità di resistere a condizioni estreme (variazioni termiche, essiccamento, radiazioni, pH basso), garantendo quindi un lungo periodo di shelf-life e di efficacia del prodotto fermentato (Cutting et al., 2011). L’obiettivo del presente progetto è stato il sequenziamento e la successiva analisi del genoma di B. coagulans BGI-30, 6086, al fine di svelare i determinanti genici alla base della sua probiosi e sicurezza. Questa ricerca è inserita nell’ambito del progetto “Pass-World - pasta e salute nel mondo - Industria 2015” [MI01_00138], finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico ed è stata svolta in collaborazione con i partner del progetto. Il genoma è stato sequenziato mediante la tecnologia Illumina GAIIx presso il partner Centro di Genomica – CRA (Piacenza); le reads ottenute sono state assemblate de-novo con il software CLC Genomic Workbench v. 7.0., mentre i contig sono stati annotati con il sistema PGAP (Prokaryotic Geomes Annotation Pipeline) dell’NCBI. Il genoma è costituito da 3.458.655 bp ed è caratterizzato da un contenuto GC% pari a 46,38. Sono stati predetti 3.373 geni, 3.197 dei quali sono sequenze codificanti (CDS), 18 rRNA, 82 tRNA, 79 pseudogeni ed un ncRNA. Sono stati inoltre individuati 500 CDS e 80 CDS coinvolte nel metabolismo centrale dei carboidrati e nel meccanismo di sporulazione, rispettivamente. Infine sono stati rilevati determinanti genici codificanti proteine che permettono l’adesione alla mucosa intestinale dell’ospite e coinvolte nella biosintesi della biotina. La sequenza genomica ottenuta nel contesto di questo progetto ha permesso di svelare per la prima volta alcuni meccanismi molecolari alla base della probiosi di B. coagulans GBI-30, 6086. La disponibilità del genoma completo permetterà un’analisi più approfondita delle caratteristiche di sicurezza di questo ceppo, mentre l' analisi genomica comparativa con altri genomi di Bacillus contribuirà a sviluppare metodi diagnostici univoci grazie all’individuazione delle regioni uniche presenti nel genoma al fine garantire la tracciabilità del ceppo all’interno della filiera e tutelare la proprietà intellettuale. I risultati ottenuti in questo progetto sono stati inseriti nel seguente lavoro, accettato per la pubblicazione nella rivista Genome Announcements: Orrù L, Salvetti E, Cattivelli L, Lamontanara A, Michelotti V, Capozzi V, Spano G, Keller D, Martina A, Torriani S, Felis GE. Draft genome sequence of Bacillus coagulans GBI-30, 6086 a widely used sporeforming probiotic strain.

The selection of new microorganisms for novel fermented food production and their up-to-date safety assessment require advanced molecular analysis methods, as the genome sequencing, which makes it possible the identification of both positive and negative features of the strains under analysis. For this point of view, Bacillus coagulans strain GBI-30, 6086 represents an interesting case: it is a safe spore-forming strain, authorized for human consumption and already available in a wide selection of functional foods or as dietary supplement. This strain is characterized by certified beneficial effects in gastrointestinal disorders, in rheumatoid arthritis, and in common viral infections of the respiratory tract . As a sporeformer, B. coagulans GBI-30, 6086 can be incorporated into foods where it can survive the mild heat-treatments used for sterilization and it can withstand the harsh conditions of the gastrointestinal tract, i.e., the low pH of the gastric barrier. The aim of this project is the genome sequencing of B. coagulans GBI-30, 6086 in order to unveil the genetic basis of its safety and probiosis. The present project is included in the grant "Pass-World - pasta and health worldwide - Industry 2015" [MI01_00138], funded by the Ministry of Economic Development and carried out in collaboration with other project partners. The whole genome sequencing was performed using the Illumina GAIIx platform at CRA-Genomics Research Centre (Piacenza, Italy) with a paired-end library; the reads were de novo assembled using the CLC Genomic Workbench v. 7.0. The genome sequence was annotated by the National Center for Biotechnology Information (NCBI) Prokaryotic Genomes Annotation Pipeline. The draft genome consists of 3,458,655 bp with GC % content of 46.38. A total of 3,373 genes were predicted, of which 3,197 are coding sequences (CDS), 18 rRNAs, 82 tRNAs 79 were identified to be pseudogenes and 1 was identified as ncRNA. The strain is predicted to encode for about 500 proteins involved in central carbohydrate metabolism, dormancy and sporulation. Furthermore, the genome contains determinants involved in the adhesion and active metabolism in the host The complete genome of B. coagulans GBI-30, 6086 obtained in the present study will contribute to a wider and deeper insight into the safety features of this strain, and the comparative genomic analysis with other Bacillus strains genomes might shed new light on the molecular mechanisms at the basis of its probiotic and beneficial properties. These data were reported in the following paper, published on Genome Announcements: Orrù L, Salvetti E, Cattivelli L, Lamontanara A, Michelotti V, Capozzi V, Spano G, Keller D, Martina A, Torriani S, Felis GE. Draft genome sequence of Bacillus coagulans GBI-30, 6086 a widely used sporeforming probiotic strain.