Biologie in het lab van de toekomst

Transcriptie

1 Biologie in het lab van de toekomst Frank Schuren TNO Microbiologie Conventionele microbiologie met state of the art genomics technologie en viability assays Conventional Microbiology Genomics technologies Fluorescence assays Preservation, Hygienic Processing & design Genomotyping Transcriptomics Complex flora analysis Viability assessments 1

2 Onze werkwijze x y z generic problem x generic y x problem y z Overzicht toepassingsgebieden intestine (adult, infant) oral cavity skin flora Vaginal flora Microflora platform technology Clinical microbiology MRSA VRE, GAS Enterobacter pneumococci Candida sp Novel antibiotics Food Microbiology Process optimization Pathogen detection & identification Hygiene monitoring Antibiotics detection in meat Design novel preservation strategies Environment Legionella Pathogens tox sensor Diatoms 2

3 DNA: de basis van het leven Biologie: diversiteit is essentieel Dit maakt generieke benaderingen moeilijk DNA is de generieke factor DNA is aanwezig in alle levende organismen Ondanks kleine verschillen zijn algemene eigenschappen van DNA identiek DNA is het ideale target voor kweekonafhankelijke analyse van biodiversiteit 5 Genomotyping Unbiased comparative analysis of genome structure Advanced statistical tools to relate physiological features isolates to genetic biomarkers Pan genomic microarrays 3

4 Is Legionella gevaarlijk voor mensen? 7 Zijn honden gevaarlijk voor mensen? 8 4

5 Legionella pneumophila in water: zijn ze allemaal gevaarlijk? Ed IJzerman, arts-microbioloog Streeklaboratorium voor de Volksgezondheid Haarlem In 2004 samenwerking gestart tussen Streeklab Haarlem, Vitens en TNO 9 Gevolgde aanpak 1. Zijn er verschillen op DNA-niveau tussen patiëntstammen en omgevingsstammen? 2. Is het mogelijk een klein aantal DNA markers te selecteren die nog steeds dit onderscheid mogelijk maken? 3. Is het mogelijk een snelle, kweekonafhankelijke test te ontwikkelen op basis van deze markers? 10 5

6 Van research chip naar diagnostische chip 12 6

7 Workflow of the Legionella Chip Variaties binnen soorten Niet alleen voor L. pneumophila is het belangrijk om onderscheid binnen de soort te maken Dit geldt in principe voor alle bacteriën: Escherichia coli is een onschuldige darmbacterie en waterbewoner, maar ook een gevaarlijke pathogeen (zie EHEC O104H4 uit 2011 en O157H7) Moleculaire methoden zijn bij uitstek geschikt om relevante verschillen tussen stammen aan te tonen Nieuwe moleculaire methoden maken zelfs bronopsporing in het veld mogelijk 7

8 Ontwikkelingen binnen hydrobiologie Noodzaak/behoefte: Kader Richtlijn Water Kans: nieuwe DNA gebaseerde analyse Noodzaak: Europese Kaderrichtlijn Water sinds 2000: monitoren ecologische kwaliteit (biologisch en chemisch) van oppervlaktewateren verplicht tot 2015: goede toestand van oppervlaktewateren realiseren; rapportage naar Brussel Gebaseerd op monitoren selectieve groepen uit fytoplankton, fytobenthos, macroplanten, macro-evertebraten, vissen Naast oppervlaktewater ook: drinkwater, zwemwater, kustwateren 8

9 Lopende projecten Ontwikkeling Dia-chip versie 1 (STOWA/TNO) Ontwikkeling Hydro-chip (Vitens/STOWA/TNO) Implementatie Hydro-chip: KRW Innovatiesubsidie met diverse partijen (STOWA, Vitens, Waternet, Waterproef, HNK, TNO) EU-Life voorstel onder review Ontwikkeling eerst in NL, op termijn mogelijk EU breed Gevolgde aanpak DNA-informatie diatomeeën verzamelen Vertalen naar moleculaire analysemethode (Hydrochip) Technische validatie Hydrochip Praktijkvalidatie Hydrochip door vergelijking met conventionele analyse door diatomeeënexperts 9

10 Vergelijking huidige en nieuwe werkwijze Resultaten DNA sequencing diatomeeën 10

11 Vergelijking resultaten Rechtstreekse vergelijking resultaten microscopische analyses en Hydrochip moeilijk, omdat namen niet (altijd) overeenkomen Detailresultaten worden nu vaak doorvertaald naar relevante ecologische parameters zoals eutrofiegraad Hydrochip data zijn zo op een vergelijkbare wijze vertaald naar eutrofiegraad 11

12 Vergelijking resultaten na vertaling naar eutrofiegraad fytoplankton fytobenthos Vertaling resultaten naar een maatlat abundance low High Species 1 Species 2 Species 3 Majority good health High levels of target species Majority poor health low levels of target species 24 Transition group? 12

13 Gewenste toekomstsituatie healthy/clean 5% 95% problem/pollution Future Current Bredere toepasbaarheid technologie Technologie niet alleen toepasbaar voor diatomeëen, maar ook voor andere groepen organismen Barcoding projecten (Barcode Of Life) leveren veel nieuwe moleculaire data op Deze data maken het mogelijk om voor praktisch alle levende organismen Hydrochip-achtige analyses te ontwikkelen Technologie is in (nabije) toekomst ook toepasbaar in het veld 13

14 Analyseren activiteit ipv aanwezigheid Aanwezigheid soorten is niet altijd indicatief voor risico Blauwalgen zijn soms het hele jaar door aanwezig maar vormen toch niet continu een risico Hiervoor moet niet gekeken woren naar aanwezighied maar naar activiteit: gaan ze of zijn ze toxine aan het produceren? Ook dit kan in principe met moleculaire methoden geanalyseerd worden. Waterlab van de toekomst DNA gebaseerde analyses zullen standaardonderdeel analysepakket worden Verschuiving analyses van lab naar on-site/veld wordt technisch mogelijk Ontwikkeling continue in-line monitoring systemen Verschuiving werkzaamheden van uitvoerend werk naar interpretatie data 14