Napovedovanje patogenosti in perzistence bakterij Listeria monocytogenes na osnovi značilnosti njihovih biofilmov in surfaktoma s pomočjo strojnega učenja

Predlagani projekt obravnava bakterijske nalezljive bolezni kot globalno grožnjo za zdravje, saj se osredotoča na zoonozo listeriozo, ki je povezana z najvišjo stopnjo umrljivosti v EU in naraščajočo razširjenostjo. Povzročajo jo bakterije Listeria monocytogenes, ki se prenašajo z uživanjem kontaminirane hrane. Bakterije L. monocytogenes so sposobne rasti v neugodnih kislih, slanih in hladnih razmerah, zato uspešno preživijo tudi na živilih in materialih v proizvodnji hrane. Redno jih najdemo na že pripravljeni hrani, mesu in mlečnih izdelkih, surovi zelenjavi in sadju. Perzistenco bakterij L. monocytogenes, najverjetneje omogočajo obstojni biofilmi. Bakterije L. monocytogenes lahko znotraj biofilma v okolju preživijo in ohranijo visok potencial patogenosti, kar je razvidno iz več let trajajočih izbruhov v EU. Značilnosti, povezane z mehanizmi prilagoditve, ki omogočajo obstojnost biofilma in večji potencial patogenosti, kar vodi do izbruhov, pa so večinoma neznane. V predlaganem projektu bomo za reševanje tega vprašanja vpeljali uporabo strojnega učenja, ki bo omogočilo raziskavo fenotipa biofilma ter povezavo le-tega s površinskimi molekularnimi markerji in potencialom patogenosti. Biofilmi so bakterijske združbe obdane z lastnim zunajceličnim matriksom, ki preprečuje dostop protimikrobnim učinkovinam, in omogoča bakterijam preživetje v neugodnih okoljskih razmerah kar predstavlja osnovo za trdoživost in uspešen prenos bakterij, tudi tistih odpornih proti antibiotikom. Sposobnost tvorbe biofilmov se med sevi listerij razlikuje, a korelacija z genetskimi informacijami ni jasna. V predlaganem projektu bomo raziskali značilnosti fenotipov biofilmov različnih sevov L. monocytogenes (DS1), gojenih na različnih površinah in z različnimi viri hranil (DS2). Poseben poudarek bo na ovrednotenju razlik med živalskimi in rastlinskimi viri ter na primerjavi patogenih in nepatogenih sevov. Nato bomo ovrednotili vpliv hranil na metabolom, surfaktom in glikom bakterij L. monocytogenes (DS3), ter pri tem izpostavili molekularne markerje različnih fenotipov biofilma. Nadalje bomo raziskali njihovo sposobnost za adhezijo in invazijo v sesalske celice, ter s tem ocenili njihov potencial patogenosti (DS4). Istočasno bomo razvijali orodja za analizo slik biofilmov z obogatenimi podatki (DS1 in DS2) in orodja za multimodalno učenje s podatki na ravni omike (DS3). Podatke o potencialu patogenosti bomo uporabili za oceno potencialne računalniške predvidljivosti patogenosti seva na podlagi predhodno identificiranih molekularnih markerjev (DS4). Poglobljeno razumevanje značilnosti biofilmov L. monocytogenes bo osnova predlogu novih učinkovitih strategij nadzora in preprečevanja izbruhov listerioze. Predlagan projekt bomo izvedli v sodelovanju petih raziskovalnih skupin, ki imajo dostop do potrebne opreme in strokovnega znanja za uspešno dokončanje predlaganega projekta v treh letih. Skupina Instituta Jožef Stefan pod vodstvom dr. Jerice Sabotič bo koordinirala projekt (DS5) in nudila strokovno znanje o mikroskopiji biofilmov listerij, omskih analizah in biologiji sesalskih celic. Strokovno znanje na področju avtomatiziranega mikroskopskega slikanja bo prispevala skupina prof. Janeza Štrancarja z Oddelka za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan. Skupina Oddelka za tehnologije znanja Instituta Jožef Stefan pod vodstvom dr. Martina Breskvarja bo razvila protokole slikovne analize in pristope strojnega učenja, ki bodo omogočili visoko zmogljive analize biofilmov in molekularnih markerjev. Skupina pod vodstvom izr. prof. Anje Klančnik z Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani bo prispevala strokovno znanje o razvoju biofilma živilskih patogenih bakterij, in skupina pod vodstvom dr. Majde Golob z Veterinarske fakultete Univerze v Ljubljani bo dodala strokovno podporo glede nadzora listerioze in sekvenciranja celotnih genomov.