La genomica dei batteri lattici: quali benefici per il settore caseario? Un caso studio: Streptococcus thermophilus Giacomini A., Corich V., Treu L., Vendramin V., Bovo B. Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) Università degli Studi di Padova

Campanaro S. Dipartimento di Biologia, Università degli Studi di Padova

Cattelan A., Lombardi A. Veneto Agricoltura - Istituto Qualità e Tecnologie Agroalimentari, Thiene (VI)

4° CONGRESSO LATTIERO-CASEARIO AITeL

Legnaro, 12 settembre 2014

Aula Magna “Mario Bonsembiante”, Agripolis

Organismo Dimensioni del genoma

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Ameba 670,000,000,000

Giglio 90,000,000,000

Pino 68,000,000,000

Aglio 18,000,000,000

Bufalo 6,900,000,000

Mais 5,000,000,000

Orzo 5,000,000,000

Tabacco 3,800,000,000

Bue 3,651,500,000

Gorilla 3,523,200,000

Topo 3,454,200,000

Homo sapiens 3,400,000,000

Cane 3,355,500,000

Cavallo 3,311,000,000

Maiale 3,108,700,000

Gallo 1,200,000,000

Soia 1,115,000,000

Mosca 900,000,000

Riso 400,000,000

Saccharomyces cerevisiae 12,000,000

Escherichia coli 4,600,000

Streptococcus thermophilus 1,800,000

Human immunodeficiency virus (HIV) 9,750

Confronto con caratteri alfabetici: 1 pagina di libro: 30 righe di 60 caratteri = ca. 2000 1 libro di 400 pagine contiene ca. 800.000 caratteri Streptococcus thermophilus 2 volumi Homo sapiens ~ 4.000 volumi pari a ~ 200 metri se affiancati su uno scaffale

L’ERA della GENOMICA

A C T G

L’ERA della GENOMICA: costi

Costo per la sequenza di un genoma umano Costo per 1 milione di nucleotidi sequenziati

Streptococcus thermophilus (Orla-Jensen, 1919)

Streptococcus macedonicus (Tsakalidou et al. 1998)

IDENTIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI a livello di SPECIE

• Morfologia cellulare (al microscopio)

• Colorazione di Gram

• Attività catalasica

• Tipo di metabolismo

• Crescita a diverse temperature

• Crescita a diversi pH

• Crescita a diverse concentrazioni

di NaCl

• Fermentazione degli zuccheri

Approccio microbiologico Approccio genetico

…aatgtacgtacgtacgcgcaaatgctcgcttttcgatggctagtcgctagctagcctactagc…

IDENTIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI a livello di CEPPO

Approccio microbiologico Approccio genetico

PROPRIETÀ DEI MICRORGANISMI a livello di CEPPO

PROVE FISIOLOGICHE RICERCA DEL GENE SPECIFICO

Approccio microbiologico Approccio genetico

CARATTERISTICHE POTENZIALMENTE PRESENTI in Streptococcus thermophilus

Metabolismo degli zuccheri:

lattosio

galattosio

Biosintesi di esopolisaccaridi

Produzione di acetaldeide

Metabolismo proteico:

attività proteolitica

attività peptidolitica

catabolismo degli aminoacidi

Attività ureasica

Attività esterasica

Produzione di composti aromatici

…

Produzione di batteriocine

Produzione di sostanze antimicrobiche

Sensibilità ai batteriofagi

Resistenza ai batteriofagi

Lisogenia

Produzione di folati

Produzione di peptidi bioattivi

Produzione CLA

Produzione di pigmenti

Produzione di ammine biogene

Resistenza ad antibiotici

Resistenza a fattori di stress

…

SEQUENZA GENOMICA di ceppi di S. thermophilus

SPECIE CEPPO ORIGINE LUOGO RIFERIMENTO

Streptococcus thermophilus TH985 Mozzarella bufala (siero) Campania Treu et al., 2014c

Streptococcus thermophilus TH982 Mozzarella bufala (cagliata) Campania

Treu et al., 2014c

Streptococcus thermophilus TH1435 Caprino (lattoinnesto) Friuli Treu et al., 2014a

Streptococcus thermophilus TH1436 Caprino (lattoinnesto) Friuli Treu et al., 2014a

Streptococcus thermophilus MTH17CL396 Fontina (cagliata) Valle d’Aosta Treu et al., 2014b

Streptococcus thermophilus M17PTZA496 Fontina (cagliata) Valle d’Aosta Treu et al., 2014b

Streptococcus thermophilus TH1477 Latte crudo bovino Veneto Treu et al., 2014c

Streptococcus thermophilus 1F8CT Grana Padano (cagliata) Veneto Treu et al., 2014c

Streptococcus macedonicus TH1053 Morlacco (formaggio) Veneto Vendramin et al., 2014

Precedentemente esistevano 6 altri genomi pubblicati di S. thermophilus Bolotin et al., 2004. Complete sequence and comparative genome analysis of the dairy bacterium Streptococcus thermophilus. Nature Biotechnology 22, 1554 – 1558.

www.ncbi.nlm.nih.gov

COMPARAZIONE dei GENOMI

FUNZIONI PRESENTI nel GENOMA di S. thermophilus TH1477

GENOBOX http://www.genobox.eu

PARTNER

Sacco srl (Italia)

Winclove probiotics (Olanda)

LB Bulgaricum Plc. (Bulgaria)

BioProx (Francia)

NIZO food Research (Olanda)

Radboud University (Olanda)

OBIETTIVO Un consorzio di PME e istituti di ricerca hanno sviluppato una piattaforma informatica per predire la funzionalità di batteri alimentari e probiotici basandosi sulla sequenza del loro genoma. Questa piattaforma permetterà ai partner di rilevare specifiche attività funzionali in modo rapido, semplice e riproducibile.

Ceppo Funzione Geni implicati

Utilizzo specifica fonte energetica

Gene1 Gene2 Gene3 Gene4

Ceppo1 SI SI SI SI SI

Ceppo2 SI NO SI SI NO

Ceppo3 SI SI NO SI NO

Ceppo4 SI NO NO SI SI

Ceppo5 NO SI SI NO NO

Ceppo6 NO NO SI NO SI

Ceppo7 NO SI NO NO SI

Ceppo8 NO NO NO NO NO

alessio.giacomini@unipd.it