METAGENOMIC APPROACHES IN FOOD MICROBIOLOGY

Abstract

Molecular methods that do not depend on culture have been developed to address the problem of not fully identifying the microbiota of foods with the classical cultural methods used in food microbiology. In metagenomic studies, which are culture-independent methods, microorganisms can be identified by direct DNA isolation without the culturing step. In this way, it is possible to identify microorganisms that are present in the microbiota but cannot be identified because they cannot be cultured. The microbial diversity of the microbiota of culture media studied in the field of food microbiology is determined using amplicon sequencing (targeted sequencing) and shotgun metagenomic approaches, and both methods have advantages and disadvantages. In recent years, metagenomics has been frequently preferred as an auxiliary discipline in the food industry, especially in the fields of food microbiology and food safety. In particular, the number of studies aimed at detecting complex microbial activity in the production of fermented foods and the examination of microbial communities involved in food spoilage is increasing.

Keywords

• Metagenomics
• culture-independent method
• fermented foods

GIDA MİKROBİYOLOJİSİNDE METAGENOMİK YAKLAŞIMLAR

Abstract

Gıda mikrobiyolojisinde kullanılan klasik kültürel yöntemler ile gıdaların mikrobiyotalarının tam olarak tanımlanamaması sorunu üzerine kültüre bağlı olmayan moleküler yöntemler geliştirilmiştir. Kültüre bağlı olmayan yöntemlerden olan metagenomik çalışmalarda kültürleme adımı olmaksızın direkt DNA izolasyonu ile mikroorganizmaların tanımlaması yapılabilmektedir. Bu sayede mikrobiyota içerisinde yer alan fakat kültüre edilemediği için tanımlanamayan mikroorganizmalarında tanımlanması mümkün kılınmaktadır. Gıda mikrobiyolojisi alanında incelenen kültür ortamlarının mikrobiyotasının sahip olduğu mikrobiyel çeşitlilik, amplikon dizileme (hedefli dizileme) ve shotgun metagenomik yaklaşımları kullanılarak belirlenmekte olup her iki yöntemin de avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Metagenomik son yıllarda gıda endüstrisinde özellikle gıda mikrobiyolojisi ve gıda güvenliği alanlarında yardımcı disiplin olarak sıklıkla tercih edilmektedir. Özellikle fermente gıdaların üretimindeki karmaşık mikrobiyel aktivitenin tespiti üzerine yapılan çalışmalar ve gıdaların bozulmasında yer alan mikrobiyel toplulukların incelenmesini hedefleyen çalışmaların sayısı giderek artmaktadır.

Keywords

• Metagenomik
• kültüre bağımlı olmayan yöntemler
• fermente gıda

References

1. Albanese, D., Donati, C. (2017). Strain profiling and epidemiology of bacterial species from metagenomic sequencing. Natural Communicationn 8, 2260, doi: 10.1038/s41467-017-02209-5.
2. Amrouche, T., Mounier, J., Pawtowski, A. (2020). Microbiota Associated with Dromedary Camel Milk from Algerian Sahara. Current Microbiology 77, 24-31, doi: 10.1007/s00284-019-01788-4.
3. Arumugam, R., Uli, J., Annavi, G. (2019). A Review of the Application of Next Generation Sequencing (NGS) in Wild Terrestrial Vertebrate Research. Annual Research & Review in Biology, 31(5): 1-9, doi: 10.9734/arrb/2019/v31i530061.
4. Avunca, S.C. (2022). Yoğurt Altı Suyu ve Sirke ile Üretilen Fermente Salatalık Turşularında Bulunan Laktik Asit Bakterilerinin Tanımlanması Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Sakarya, Türkiye, 64s.
5. Aw, T.G., Wengert, S., Rose, J.B. (2016). Metagenomic analysis of viruses associated with field-grown and retail lettuce identifies human and animal viruses, International Journal of Food Microbiology, 223; 50-56, doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2016.02.008.
6. Aydın, F. (2023) Ekşi Hamur Mikrobiyotasından İzole Edilen Mayaların Farklı DNA Markör Sistemleri ile Karakterize Edilmesi ve Bazı Teknolojik Özelliklerinin Belirlenmesi, Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Bolu, Türkiye, 154s.
7. Aydın, F., Özer, G., Alkan, M., Çakır, İ. (2022). Start Codon Targeted (SCoT) markers for the assessment of genetic diversity in yeast isolated from Turkish sourdough. Food Microbiology, 107, 104081, doi: 10.1016/j.fm.2022.104081.
8. Aydın, S., Erözden, AA, Tavşanlı, N., Müdüroğlu, A., Çalışkan, M., Kara, İ. (2022a). Anthocyanin Addition to Kefir: Metagenomic Analysis of Microbial Community Structure. Current Microbiology, 79 (11), 327, doi: 10.1007/s00284-022-03017-x.

9. Babaoğlu, HÇ. Tontul, SA. Akın, N. (2021). Yer Elması Tozu İlavesinin Ekşi Hamur Fermantasyonu Üzerine Etkisi. GIDA 46(2) 367-375, doi: 10.15237/gida.GD20135.
10. Bal, D., Balcı, B., Yılmaz, A., Polat, G., Arıcan, E. (2022). Balıkesir/Antandros Antik Kenti Kazısı Toprak Örneklerinin Metagenomik Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 26(1), 1-12, doi: 10.19113/Sdufenbed.700604.
11. Billington, C., Kingsbury, J.M., Rivas, L. (2022). Metagenomics Approaches for Improving Food Safety. Journal of Food Protection, 85(3); 448-464, doi: 10.4315/JFP-21-301.
12. Bozdemir, M. (2021). Bozadan İzole Edilmiş Laktik Asit Bakterilerinin Bazı Teknolojik ve Fonksiyonel Özellikleri. Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ, Türkiye, 115s.
13. Brown, E., Dessai, U., McGarry S., Gerner-Smid P. (2019). Use of Whole-Genome Sequencing for Food Safety and Public Health in the United States. Foodborne Pathogens And Disease 16(7): 441-450, doi: 10.1089/fpd.2019.2662.
14. Calle, M.L. (2019). Statistical Analysis of Metagenomics Data Genomics & Informatics; 17(1):1-9, doi:10.5808/GI.2019.17.1.e6.
15. Cerit, G.Z. (2022). Beyaz Peynir ve Süt İşleme Tesisinden İzole Edilen Mikrobiyotanın Karakterizasyonu Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans Tezi Ankara, Türkiye, 163s.
16. Chen, G., Bai, R., Zhang, Y., Zhao, B., Xiao, Y. (2022). Application Of Metagenomics To Biological Wastewater Treatment, Science Of The Total Environment 807, 150737, doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150737.
17. Chen, G., Chen, C., Lei, Z. (2017). Meta-Omics İnsights in The Microbial Community Profiling And Functional Characterization of Fermented Foods Trends, Food Science & Technology 65, 23-31, doi: 10.1016/j.tifs.2017.05.002.
18. Choudhari, J.K., Choubey, J., Verma, M.K., Chatterjee, T., Sahariah, B.P. (2022). Metagenomics: the boon for microbial world knowledge and current challenges, Bioinformatic methods and Applications, Dev Bukhsh Singh, Raiesh Kumar Pathak (ed.) 159-175.
19. Doyle, C.J., O’toole, P.W., Cotter, P.D. (2017). Metagenome-Based Surveillance And Diagnostic Approaches To Studying The Microbial Ecology Of Food Production And Processing Environments, Environmental Microbiology 19(11), 4382-4391, doi: 10.1111/1462-2920.13859.
20. EFSA (2019) European Food Safety Authorıty. https://www.efsa.europa.eu/en/science/scientific-committee-and-panels/biohaz (Erişim Tarihi: 2.11.2023).
21. Ekici, H. (2019). Şalgam Sularının Aroması Üzerine Etkili Mikrofloranın Yeni Nesil Dizileme Yöntemi ile Belirlenmesi ve İstatistiksel Değerlendirilmesi, Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Adana, Türkiye, 61s.
22. Ektik, N. (2022). Klasik (Olgunlaştırılmış) Beyaz Peynir Üretiminin Farklı Aşamalarından Laktik Asit Bakterilerinin İzolasyonu, İdentifikasyonu ve Teknolojik Özelliklerinin Belirlenmesi Balıkesir Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü Besin Hijyeni ve Teknolojisi Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Türkiye, 113 s.
23. Emenli, İ., Gündüz, G. (2019). Gıdalarda Bulunan Küflerin Tanımlanmasında Kullanılan Yöntemler GIDA 44 (4): 692-706, doi: 10.15237/ gida.GD19044.
24. Ercolini, D. (2013). High-Throughput Sequencing And Metagenomics: Moving Forward İn The Culture-Independent Analysis Of Food Microbial Ecology. Applied And Environmental Microbiology 10(79); 3148-3155, doi: 10.1128/AEM.00256-13.
25. Erdoğan, I.T. (2019). Yıkanmış Kan Lekelerinden DNA Elde Edilmesi. Üsküdar Üniversitesi Bağımlılık ve Adli Bilimler Enstitüsü Adli Bilimler Anabilim Dalı Adli Genetik Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, Türkiye 98 s.
26. Ezeonuegbu, B. A., Abdullahi, M. D., Whong, C. M., Sohunago, J. W., Kassem, H. S., Yaro, C. A., Batiha, G. E. S. (2022). Characterization and phylogeny of fungi isolated from industrial wastewater using multiple genes. Scientific Reports, 12(1), 2094, doi: 10.1038/s41598-022-05820-9.
27. Ferrocino, I., Cocolin, F. (2017). Current Perspectives in Food-Based Studies Exploiting Multi-Omics Approaches Current Opinion. Food Science, 13:10-15, doi: 10.1016/j.cofs.2017.01.002
28. Goolam Mahomed, T., Peters, R., Pretorius, G. (2021). Comparison of targeted metagenomics and IS-Pro methods for analysing the lung Microbiome. BMC Microbiology 21: 228, doi: 10.1186/s12866-021-02288-x.
29. Görkem, Z., Cerit, Z.G., Baloğlu, M.C., Yılmaz, R. (2021). Beyaz Peynir Mikrobiyotasında Kültüromik ve Shotgun Metagenomik Teknolojilerin Değerlendirilmesi. GIDA, 46(3) 566-582, doi: 10.15237/gida.GD20136.
30. Hardwick, S.A, Chen, W.Y., Wong, T. (2018). Synthetic microbe communities provide internal reference standards for metagenome sequencing and analysis. Nature Communacation 9, 1-11, doi: 10.1038/s41467-018-05555-0
31. Hora, M. (2018). Mikrobiyom kaynaklı antimikrobiyal direnç genlerinin taksonomik orijinlerinin tespiti. Erciyes Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Kayseri, Türkiye, 120 s.
32. Ilıkkan, Ö. K., Bağdat, E. Ş. (2021). Comparison of bacterial and fungal biodiversity of Turkish kefir grains with high-throughput metagenomic analysis. LWT-Food Science and Technology, 152, 112375, doi: 10.1016/j.lwt.2021.112375.
33. Illeghems, K., Weckx, S., Vuyst, L. (2015). Applying Meta-Pathway Analyses Through Metagenomics To İdentify The Functional Properties of The Major Bacterial Communities of A Single Spontaneous Cocoa Bean Fermentation Process Sample. Food Microbiology 50, 54- 63, doi: 10.1016/j.fm.2015.03.005.
34. Jagadeesan, B., Gerner-Smidt, P., Allard, MW., Leuillet, S., Winkler, A., Xiao, Y., Chaffron, S., Van Der Vossen, J., Tang, S., Katase, M., McClure, P., Kimura, B., Ching Chai, L., Chapman, J., Grant, K. (2019). The use of next generation sequencing for improving food safety: Translation into practice. Food Microbiology, 79, 96-115, doi: 10.1016/j.fm.2018.11.005.
35. Johny, T.K, Puthusseri, R.M, Bhat, S.G. (2021). A primer on metagenomics and next-generation sequencing in fish gut microbiome research. Aquaculture Research, 52, 4565-5110, doi: 10.1111/are.15373.
36. Karabudak, S., Akkuş, M.S. (2022). Yeni Nesil Dizileme Verilerinin Analizinde Bulut Teknolojisi. Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, 11(1) 1-10, doi: 10.17100/nevbiltek.1005534.
37. Karaman, K. Sağdıç, O. (2018). Fitaz Aktif Bazı Laktik Asit Bakteri ve Maya İzolatlarının Tam Buğday Ekmeğinde Hamur Reolojisi Üzerine Etkileri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi 14; 1-9, doi: 10.31590/ejosat.455587.
38. Kavruk, M., Zafer Yurt, M.N., Taşbaşı, B.B., Acar, E.E., Soyuçok, A., Altunbaş, O., Özalp, V.C., Sudağıdan, M. (2021). Alteration of Boza Microbiota in the Fermentation Process. Kocatepe Veterinary Journal 14(2): 238-246, doi: 10.30607/kvj.895295.
39. Kaygusuz, S. (2019). Pamuk Yağında DNA İzolasyon Yöntemlerinin Etkinliğinin Karşılaştırılması ve Genetiği Değiştirilmiş Organizma Analizlerine Etkisinin Değerlendirilmesi. Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyomühendislik Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Karaman, Türkiye, 59 s
40. Kergourlay, G., Taminiau, B., Daube, G.A., Vergès, M.C. (2015). Metagenomic insights into the dynamics of microbial communities in food. International Journal of Food Microbiology 213; 31-39, doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2015.09.010.
41. Khan, D., Kabiraj, A., Roy, R.K, Let, M., Majhi, K., Bandopadhyay, R. (2022). Bioremediation of Heavy Metals by Metagenomic Approaches. Omics Insights in Environmental Bioremediation, 393–413, doi:10.1007/978-981-19-4320-1_17.
42. Kothe, C. I., Mohellibi, N., Renault, P. (2022). Revealing the microbial heritage of traditional Brazilian cheeses through metagenomics. Food Research International, 157, 111265, doi: 10.1016/j.foodres.2022.111265.
43. Lee, S., Singh, D., Young, J., Jeon, J.E., Ryu, H.S., Lee, D.W., Kim, B.S., Lee, C.H. (2017). Comparative evaluation of microbial diversity and metabolite profiles in doenjang, a fermented soybean paste, during the two different industrial manufacturing process. Food Chemistry 221;1578- 1586, doi: 10.1016/j.foodchem.2016.10.135.
44. Lee, SH., Ji, Jung., Y., Jeon, C.O., (2015). Source Tracking and Succession of Kimchi Lactic Acid Bacteria during Fermentation. Journal of Food Science, 80 (8): 1871- 1877, doi: 10.1111/1750-3841.12948.
45. NIST (2020) ABD National Institue of Standarts and Technology. Standards for Metagenomics (2020). https://www.nist.gov/programs-projects/standards-metagenomics (Erişim tarihi: 20.01.2023).
46. Örü, F., Ertop, M.G. (2021). Siyez ve Ekmeklik Buğday Kepeğinin Ekşi Hamur Üretiminde Kullanım Olanağının Değerlendirilmesi. GIDA 46 (2): 396-407, doi: 10.15237/gida.GD20087.
47. Palla, M., Cristani, C., Giovannetti, M., Agnolucci, M. (2020). Large Genetic Intraspecific Diversity of Autochthonous Lactic Acid Bacteria and Yeasts Isolated from PDO Tuscan Bread Sourdough Applied Sciences, 10(3), 1043, doi:10.3390/app10031043.
48. Savaşan, S., Beyaz, D. (2019). Erken Olgunlaşma Dönemindeki Geleneksel Peynir Mikrobiyomunun Metagenomik Analizi. Etlik Veterinerlik Mikrobiyoloji Dergisi, 30 (1): 27-35.
49. Savran, İ., Erden, E. (2019). Meta-Genomik Gen Analizi İçin Filtre Tasarımı. DÜMF Mühendislik Dergisi 11:2, 471-480, doi: 10.24012/ dumf.496688.
50. Soman, R., Kavitha, M.H., Shaji, H. (2022). Metagenomics: a genomic tool for monitoring microbial communities during bioremediation, Microbes and Microbial Biotechnology for Green Remediation, 813-821, doi:10.1016/B978-0-323-90452-0.00006-2
51. Song, Q., Zhao, F., Wang, B., Han, Y., Zhou, Z. (2021). Metagenomic insights into Chinese northeast suancai: Predominance and diversity of genes associated with nitrogen metabolism in traditional household suancai fermentation. Food Research International 139,109924, doi: 10.1016/j.foodres.2020.109924.
52. Soyuçok, A., Yurt, M.N.Z., Altunbas, O., Ozalp, V.C., Sudagidan, M. (2021). Metagenomic and chemical analysis of Tarhana during traditional fermentation process. Food Bioscience, 39, 100824, doi: 10.1016/j.fbio.2020.100824.
53. Tekin, K., Kocaman, M. (2020). PCR Öncesi Hazırlık, PCR Kolaylaştırıcıları ve Dengeleyici Katkılar. Journal of Molecular Virology Immunology; 1(2): 11-18. doi:10.46683/jmvi.2020.8.
54. Thomas, T., Gilbert, J., Meyer, F. (2012) Metagenomics - a guide from sampling to data analysis. Microbial Informatics and Experimentation 2, 3, doi: 10.1186/2042-5783-2-3.
55. Tóth, A.G, Csabai, I., Maróti, G. (2020). A glimpse of antimicrobial resistance gene diversity in kefir and yoghurt. Nature Research 10, 22458, doi: 10.1038/s41598-020-80444-5.
56. Uçak, S., Yurt, M.N.Z., Tasbasi, B.B., Acar, E.E., Altunbas, O., Soyucok, A., Sudagidan, M. (2022). Identification of bacterial communities of fermented cereal beverage Boza by metagenomic analysis. LWT-Food Science and Technology, 153, 112465, doi: 10.1016/j.lwt.2021.112465.
57. Uçarlı, C. (2022) Mikrobiyom Analizinde Metagenomik Yaklaşımlar Mikrobiyota İçimizdeki Evren, Yılmaz Ö (baş ed.) 142; 159- 171.
58. Wang, Y., Yan, Y., Thompson, K.N (2021). Whole microbial community viability is not quantitatively reflected by propidium monoazide sequencing approach. Microbiome 9, 17, doi: 10.1186/s40168-020-00961-3
59. Wanga, Y., Lia, C., Zhao, Y., Lia, L., Yanga, X., Wua, Y., Chena, S., Cena, J., Yanga, S., Yanga, D. (2020). Novel insight into the formation mechanism of volatile flavor in Chinese fish sauce (Yu-lu) based on molecular sensory and metagenomics analyses. Food Chemistry 323, 126839, doi: 10.1016/j.foodchem.2020.126839.
60. Xiea, M., Ana, F., Zhaoa, Y., Wu, R., Wu, J. (2020). Metagenomic analysis of bacterial community structure and functions during the fermentation of da-jiang, a Chinese traditional fermented food, LWT-Food Science and Technology 129,109450 doi: 10.1016/j.lwt.2020.109450.
61. Yasir, M., Zahrani, I.A., Bibi, F., Ghany, M.A., Azhar, E.I. (2022). New insights of bacterial communities in fermented vegetables from shotgun metagenomics and identification of antibiotic resistance genes and probiotic bacterial. Food Research International 157,111190, doi: 10.1016/j.foodres.2022.111190.
62. Ye, S.H., Siddle K.J., Park, D.J., Sabet, P.C. (2019). Benchmarking Metagenomics Tools for Taxonomic Classification. Cell 178, 779-794, doi: 10.1016/j.cell.2019.07.010.
63. Zhuang, S., Tan, Y., Hong, H., Li, D., Zhang, L., Luo, Y. (2022). Exploration of the roles of spoilage bacteria in degrading grass carp proteins during chilled storage: A combined metagenomic and metabolomic approach. Food Research International, 152, 110926, doi: 10.1016/ j.foodres.2021.110926.