Improving probe set selection for microbial community analysis by leveraging taxonomic information of training sequences

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Population levels of microbial phylotypes can be examined using a hybridization-based method that utilizes a small set of computationally-designed DNA probes targeted to a gene common to all. Our previous algorithm attempts to select a set of probes such that each training sequence manifests a unique theoretical hybridization pattern (a binary fingerprint) to a probe set. It does so without taking into account similarity between training gene sequences or their putative taxonomic classifications, however. We present an improved algorithm for probe set selection that utilizes the available taxonomic information of training gene sequences and attempts to choose probes such that the resultant binary fingerprints cluster into real taxonomic groups.</p> <p>Results</p> <p>Gene sequences manifesting identical fingerprints with probes chosen by the new algorithm are more likely to be from the same taxonomic group than probes chosen by the previous algorithm. In cases where they are from different taxonomic groups, underlying DNA sequences of identical fingerprints are more similar to each other in probe sets made with the new versus the previous algorithm. Complete removal of large taxonomic groups from training data does not greatly decrease the ability of probe sets to distinguish those groups.</p> <p>Conclusions</p> <p>Probe sets made from the new algorithm create fingerprints that more reliably cluster into biologically meaningful groups. The method can readily distinguish microbial phylotypes that were excluded from the training sequences, suggesting novel microbes can also be detected.</p

Efficient oligonucleotide probe selection for pan-genomic tiling arrays

Background: Array comparative genomic hybridization is a fast and cost-effective method for detecting, genotyping, and comparing the genomic sequence of unknown bacterial isolates. This method, as with all microarray applications, requires adequate coverage of probes targeting the regions of interest. An unbiased tiling of probes across the entire length of the genome is the most flexible design approach. However, such a whole-genome tiling requires that the genome sequence is known in advance. For the accurate analysis of uncharacterized bacteria, an array must query a fully representative set of sequences from the species' pan-genome. Prior microarrays have included only a single strain per array or the conserved sequences of gene families. These arrays omit potentially important genes and sequence variants from the pan-genome. Results: This paper presents a new probe selection algorithm (PanArray) that can tile multiple whole genomes using a minimal number of probes. Unlike arrays built on clustered gene families, PanArray uses an unbiased, probe-centric approach that does not rely on annotations, gene clustering, or multi-alignments. Instead, probes are evenly tiled across all sequences of the pangenome at a consistent level of coverage. To minimize the required number of probes, probes conserved across multiple strains in the pan-genome are selected first, and additional probes are used only where necessary to span polymorphic regions of the genome. The viability of the algorithm is demonstrated by array designs for seven different bacterial pan-genomes and, in particular, the design of a 385,000 probe array that fully tiles the genomes of 20 different Listeria monocytogenes strains with overlapping probes at greater than twofold coverage. Conclusion: PanArray is an oligonucleotide probe selection algorithm for tiling multiple genome sequences using a minimal number of probes. It is capable of fully tiling all genomes of a species on a single microarray chip. These unique pan-genome tiling arrays provide maximum flexibility for the analysis of both known and uncharacterized strains.https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-29

Safety assessment of coagulase-negative staphylococci used in food production

Coagulase-negative staphylococci (CNS) are used in starter cultures for the production of fermented meat products due to their involvement in the development of desired red color, characteristic flavor as well as ensuring stability. But also other CNS species like S. condimenti, S. piscifermentans, S. equorum and S. succinus have a potential for future use in starter cultures. The safety of fermented food products is principally proven by long-term experience as traditional methods are considered safe based on their long history of safe use. However, for the last mentioned species long-term experience concerning sanitary harmlessness exists only with limitations. To get an insight in safety relevant properties of food associated CNS in Chapter III-V strains of the species S. carnosus, S. condimenti and S. piscifermentans (S. carnosus-group) as well as S. equorum, S. succinus and S. xylosus (S. xylosus-group) were phenotypically and partly genotypically investigated. Based on these insights in Chapter VI a DNA microarray was developed for rapid and simultaneous detection of various safety relevant properties in CNS with future use in the food production. To increase the application potential of this microarray, additionally technological relevant properties were considered in the array design. Subsequently, the designed microarray was used for the genotypic investigation of phenotypically characterized CNS concerning the presence of safety relevant properties. In Chapter III, antibiotic resistances of 330 CNS belonging to S. carnosus- and S. xylosus-group isolated from food and starter cultures were examined. Resistances to 21 antibiotics were phenotypically determined and resistance genes blaZ, lnuA and tetK were detected in strains showing phenotypic resistances to ß-lactam antibiotics, lincomycin and tetracycline. Antibiotic resistance profiles in strains of the species S. equorum, S. succinus and S. piscifermentans are described and due to the high number of investigated strains an insight regarding the occurrence of antibiotic resistances in food associated CNS is given. In Chapter IV toxin production of food associated CNS belonging to S. carnosus- and S. xylosus-group was investigated. First, 330 strains isolated from food, starter cultures and clinical isolates have been analyzed to hemolytic activity on human and sheep blood agar plates. Secondly, the ability of 35 selected strains to produce staphylococcal enterotoxins, toxic shock syndrome toxin 1 and exfoliative toxin A has been examined by immunoblot analysis. The chapter demonstrates that CNS strains present in high numbers in fermented food cannot necessarily be regarded as safe. Thus, strains used in the production of fermented food should be analyzed with respect of their toxigenic potential to avoid negative effects on human health. Chapter V is dealing with the formation of binding proteins to extracellular matrix proteins (ECM) and the production of biogenic amines (BA) by 32 CNS of S. carnosus- and S. xylosus-group. Binding capacity of CNS to the ECM fibronectin and fibrinogen was investigated by detection of fluorescent labeled cells which were added to microtiter plates coated with ECM. The formation of six important BA was examined by HPLC using growing and resting cells. By the results of this chapter the ability of food associated CNS to develop undesired properties like the formation of binding proteins to ECM and BA was demonstrated. Thus, further research is needed concerning potential risks and the importance on human health if strains with these properties are used in the production of fermented food. In Chapter VI, the design of a polynucleotide based DNA microarray as screening tool to detect genes of potential health concern and technological relevance in food associated CNS is described. The array considered 220 genes encoding for antibiotic resistances, hemolysins, toxins, amino acid decarboxylases (involved in the formation of BA), binding proteins to ECM, lipases, proteases, stress response factors, and nitrate dissimilation. Hybridization experiments were performed using genomic DNA isolated of 32 in Chapter III-V phenotypically characterized CNS allowing the detection of e.g. antibiotic resistance genes blaZ, lnuA, and tetK. Genes coding for decarboxylases as well as fibronectin and fibrinogen binding proteins were rarely correlated with the phenotype. Toxin genes could not be detected, whereas technological relevant genes like genes coding for proteases, lipases, catalase, superoxide dismutase or genes involved in dissimilatory nitrate reduction resulted in hybridization signals. The present thesis provides data concerning safety relevant properties in food associated CNS which are important for accurate safety assessment. Comparison of the results of Chapter III-V with them of Chapter VI showed that antibiotic resistances, formation of toxins and binding proteins to ECM are more present in strains of S. xylosus- than in S. carnosus-group. In context with safety assessment of food associated CNS, the designed microarray can be used as screening tool for the detection of safety relevant combined with technologically important properties (nitrate dissimilation, control of oxidative damage by catalase, flavor formation by proteases and lipases). Summarizing, the array is able to make a contribution in enhancing the selection criteria of CNS used as starter organisms in respect to food safety as well as technologically relevant properties.Koagulase negative Staphylokokken (KNS) werden in Starterkulturen für die Herstellung von fermentierten Fleischprodukten zur Umrötung, charakteristischen Aromabildung sowie zur Gewähr¬leistung der Produktstabilität eingesetzt. Traditionell enthalten Starterkulturen KNS der Spezies S. carnosus und S. xylosus, aber auch andere KNS Spezies wie S. condimenti, S. piscifermentans, S. equorum und S. succinus haben ein Potential für den zukünftigen Einsatz in Starter¬kulturen. Die Sicherheit von fermentierten Lebensmitteln basiert zumeist auf Langzeiterfahrung infolge der sicheren Historie von traditionellen Methoden. Zuletzt genannte Spezies haben jedoch nur eine eingeschränkte Langzeiterfahrung hinsichtlich der gesundheit¬lichen Unbedenklichkeit. Zur Bestimmung sicherheitsrelevanter Eigenschaften von lebensmittelassoziierten KNS wur¬den im Kapitel III-V Stämme der Spezies S. carnosus, S. condimenti und S. piscifermentans (S. carnosus-Gruppe) sowie S. equorum, S. succinus und S. xylosus (S. xylosus-Gruppe) phäno¬typisch und teils genotypisch untersucht. Weiterführend wurde im Kapitel VI ein DNA-Chip zum schnellen und simultanen Nachweis sicherheitsrelevanter Eigenschaften in KNS mit zu¬künftigem Einsatz in der Lebensmittelherstellung entwickelt. Um das Anwendungspotential des DNA-Chips zu erhöhen wurden bei der Konzeption des Chips technologisch relevante Eigenschaften mitberücksichtigt. Anschließend wurden phänotypisch charakterisierte KNS mit dem entwickelten Chip genotypisch auf sicherheitsrelevante Eigenschaften untersucht. In Kapitel III wurden 330 KNS der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe isoliert aus Lebensmitteln und Starterkulturen phänotypisch hinsichtlich der Resistenzen gegenüber 21 Antibiotika charakterisiert sowie die Resistenzgene blaZ, lnuA und tetK in Stämmen mit phänotypischer ß-Lactam-, Lincomycin- und Tetracyclin-Resistenz bestimmt. Die Studie beschreibt Antibiotikaresistenzprofile von Stämmen der Spezies S. equorum, S. succinus und S. piscifermentans und gibt durch die hohe Anzahl an untersuchten Stämmen einen Einblick in das Vorkommen von Antibiotika¬resistenzen in lebensmittelassoziierten KNS. In Kapitel IV wird die Bildung von Toxinen in lebensmittelassoziierten KNS der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe untersucht. Die hämolytische Aktivität auf Human- und Schafblutagar wurde von 330 Stämmen aus Lebensmitteln, Starterkulturen und klinischen Isolaten bestimmt sowie die Bildung von Staphylokokken-Enterotoxinen, Toxischen Schocksyndrom Toxin 1 und Exfoliativen Toxin A von 35 Stämmen mittels Immunoblot-Verfahrens. Das Kapitel zeigt, dass KNS die vielfach in fermentierten Lebensmitteln vorkommen, nicht generell als sicher betrach¬tet werden können. Um negative Effekte auf die humane Gesundheit zu vermeiden sollte das toxigene Potential von in der Lebensmittelherstellung eingesetzten Stämmen bestimmt werden. Kapitel V befasst sich mit der Bildung von Bindeproteinen an Extrazelluläre Matrixproteine (EZM) und von biogenen Aminen (BA) in 32 KNS Stämmen der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe. Die Bindekapazitäten an die EZM Fibronektin und Fibrinogen wurden mittels Mikrotiterplatten-Assays durch Fluoreszenzdetektion markierter Bakterienzellen an mit EZM beschichtete Mikrotiterplatten bestimmt. Die Bildung sechs wichtiger BA wurde mit HPLC sowie wachsenden und ruhenden Zellen untersucht. Dieses Kapitel demonstriert, das lebens¬mittelassoziierte KNS in der Lage sind unerwünschte Eigenschaften wie Bindeproteine an EZM und BA zu bilden. Daher ist weiterer Forschungsbedarf bezüglich potentieller Risiken und der Bedeutung in der menschlichen Gesundheit erforderlich, wenn Stämme mit diesen Eigen¬schaften zur Herstellung fermentierter Lebensmittel eingesetzt werden. Kapitel VI beschreibt die Konzeption eines Polynukleotid-basierenden DNA-Chips als Hilfs¬mittel zum Screenen von Genen mit möglicher gesundheitlicher und technologischer Rele¬vanz in lebensmittelassoziierten KNS. Auf dem DNA-Chip sind 220 Gene für Antibiotika¬resistenzen, Hämolysine, Toxine, Aminosäuredecarboxylasen (BA Bildung), EZM Binde¬proteine, Lipasen, Proteasen, Nitratatmung, Salz- und oxidative Stresstoleranz abgelegt. Die Hybridisierungen wurden mit genomischer DNA von 32, in Kapitel III-V phänotypisch unter¬suchten KNS, durchgeführt und können z.B. die Antibiotikaresistenzgene blaZ, lnuA, und tetK nachweisen. Gene, die für Decarboxylasen sowie Fibronektin- und Fibrinogen-Bindeproteine kodieren zeigten selten Übereinstimmung mit dem Phänotyp. Toxingene wurden nicht nach¬gewiesen. Technologisch relevante Gene (Proteasen, Lipasen, Katalase, Superoxiddismutase und Gene der dissimilatorischen Nitratreduktion) resultierten in Hybridisierungssignalen. Die Ergebnisse tragen zum Wissen über sicherheitsrelevante Eigenschaften lebensmittel¬assoziierter KNS bei, welches für eine präzise Sicherheitsbewertung erforderlich ist. Ein Vergleich der Ergebnisse aus Kapitel III-V und Kapitel VI zeigt, dass in der S. xylosus-Gruppe Antibiotika¬resistenzen sowie die Bildung von Toxinen und Bindeproteinen an EZM häufiger vorkommen als in der S. carnosus-Gruppe. Bei der Sicherheitsbewertung lebensmittel¬assoziierter KNS kann der konzipierte DNA-Chip als Hilfsmittel für ein kombi¬niertes Screening sicherheits- und technologisch relevanter Eigenschaften (Nitratreduktion, Kontrolle oxidativer Abbau durch Katalase, Geschmack- und Aromaverbesserung durch Proteasen und Lipasen) herangezogen werden. Zusammenfassend trägt der DNA-Chip dazu bei die Auswahlkriterien von KNS, die als Starterorganismen verwendet werden, hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und technologisch relevanter Eigenschaften zu verbessern

Whole-genome sequence analysis for pathogen detection and diagnostics

This dissertation focuses on computational methods for improving the accuracy of commonly used nucleic acid tests for pathogen detection and diagnostics. Three specific biomolecular techniques are addressed: polymerase chain reaction, microarray comparative genomic hybridization, and whole-genome sequencing. These methods are potentially the future of diagnostics, but each requires sophisticated computational design or analysis to operate effectively. This dissertation presents novel computational methods that unlock the potential of these diagnostics by efficiently analyzing whole-genome DNA sequences. Improvements in the accuracy and resolution of each of these diagnostic tests promises more effective diagnosis of illness and rapid detection of pathogens in the environment. For designing real-time detection assays, an efficient data structure and search algorithm are presented to identify the most distinguishing sequences of a pathogen that are absent from all other sequenced genomes. Results are presented that show these "signature" sequences can be used to detect pathogens in complex samples and differentiate them from their non-pathogenic, phylogenetic near neighbors. For microarray, novel pan-genomic design and analysis methods are presented for the characterization of unknown microbial isolates. To demonstrate the effectiveness of these methods, pan-genomic arrays are applied to the study of multiple strains of the foodborne pathogen, Listeria monocytogenes, revealing new insights into the diversity and evolution of the species. Finally, multiple methods are presented for the validation of whole-genome sequence assemblies, which are capable of identifying assembly errors in even finished genomes. These validated assemblies provide the ultimate nucleic acid diagnostic, revealing the entire sequence of a genome

Safety assessment of coagulase-negative staphylococci used in food production

Coagulase-negative staphylococci (CNS) are used in starter cultures for the production of fermented meat products due to their involvement in the development of desired red color, characteristic flavor as well as ensuring stability. But also other CNS species like S. condimenti, S. piscifermentans, S. equorum and S. succinus have a potential for future use in starter cultures. The safety of fermented food products is principally proven by long-term experience as traditional methods are considered safe based on their long history of safe use. However, for the last mentioned species long-term experience concerning sanitary harmlessness exists only with limitations. To get an insight in safety relevant properties of food associated CNS in Chapter III-V strains of the species S. carnosus, S. condimenti and S. piscifermentans (S. carnosus-group) as well as S. equorum, S. succinus and S. xylosus (S. xylosus-group) were phenotypically and partly genotypically investigated. Based on these insights in Chapter VI a DNA microarray was developed for rapid and simultaneous detection of various safety relevant properties in CNS with future use in the food production. To increase the application potential of this microarray, additionally technological relevant properties were considered in the array design. Subsequently, the designed microarray was used for the genotypic investigation of phenotypically characterized CNS concerning the presence of safety relevant properties. In Chapter III, antibiotic resistances of 330 CNS belonging to S. carnosus- and S. xylosus-group isolated from food and starter cultures were examined. Resistances to 21 antibiotics were phenotypically determined and resistance genes blaZ, lnuA and tetK were detected in strains showing phenotypic resistances to ß-lactam antibiotics, lincomycin and tetracycline. Antibiotic resistance profiles in strains of the species S. equorum, S. succinus and S. piscifermentans are described and due to the high number of investigated strains an insight regarding the occurrence of antibiotic resistances in food associated CNS is given. In Chapter IV toxin production of food associated CNS belonging to S. carnosus- and S. xylosus-group was investigated. First, 330 strains isolated from food, starter cultures and clinical isolates have been analyzed to hemolytic activity on human and sheep blood agar plates. Secondly, the ability of 35 selected strains to produce staphylococcal enterotoxins, toxic shock syndrome toxin 1 and exfoliative toxin A has been examined by immunoblot analysis. The chapter demonstrates that CNS strains present in high numbers in fermented food cannot necessarily be regarded as safe. Thus, strains used in the production of fermented food should be analyzed with respect of their toxigenic potential to avoid negative effects on human health. Chapter V is dealing with the formation of binding proteins to extracellular matrix proteins (ECM) and the production of biogenic amines (BA) by 32 CNS of S. carnosus- and S. xylosus-group. Binding capacity of CNS to the ECM fibronectin and fibrinogen was investigated by detection of fluorescent labeled cells which were added to microtiter plates coated with ECM. The formation of six important BA was examined by HPLC using growing and resting cells. By the results of this chapter the ability of food associated CNS to develop undesired properties like the formation of binding proteins to ECM and BA was demonstrated. Thus, further research is needed concerning potential risks and the importance on human health if strains with these properties are used in the production of fermented food. In Chapter VI, the design of a polynucleotide based DNA microarray as screening tool to detect genes of potential health concern and technological relevance in food associated CNS is described. The array considered 220 genes encoding for antibiotic resistances, hemolysins, toxins, amino acid decarboxylases (involved in the formation of BA), binding proteins to ECM, lipases, proteases, stress response factors, and nitrate dissimilation. Hybridization experiments were performed using genomic DNA isolated of 32 in Chapter III-V phenotypically characterized CNS allowing the detection of e.g. antibiotic resistance genes blaZ, lnuA, and tetK. Genes coding for decarboxylases as well as fibronectin and fibrinogen binding proteins were rarely correlated with the phenotype. Toxin genes could not be detected, whereas technological relevant genes like genes coding for proteases, lipases, catalase, superoxide dismutase or genes involved in dissimilatory nitrate reduction resulted in hybridization signals. The present thesis provides data concerning safety relevant properties in food associated CNS which are important for accurate safety assessment. Comparison of the results of Chapter III-V with them of Chapter VI showed that antibiotic resistances, formation of toxins and binding proteins to ECM are more present in strains of S. xylosus- than in S. carnosus-group. In context with safety assessment of food associated CNS, the designed microarray can be used as screening tool for the detection of safety relevant combined with technologically important properties (nitrate dissimilation, control of oxidative damage by catalase, flavor formation by proteases and lipases). Summarizing, the array is able to make a contribution in enhancing the selection criteria of CNS used as starter organisms in respect to food safety as well as technologically relevant properties.Koagulase negative Staphylokokken (KNS) werden in Starterkulturen für die Herstellung von fermentierten Fleischprodukten zur Umrötung, charakteristischen Aromabildung sowie zur Gewähr¬leistung der Produktstabilität eingesetzt. Traditionell enthalten Starterkulturen KNS der Spezies S. carnosus und S. xylosus, aber auch andere KNS Spezies wie S. condimenti, S. piscifermentans, S. equorum und S. succinus haben ein Potential für den zukünftigen Einsatz in Starter¬kulturen. Die Sicherheit von fermentierten Lebensmitteln basiert zumeist auf Langzeiterfahrung infolge der sicheren Historie von traditionellen Methoden. Zuletzt genannte Spezies haben jedoch nur eine eingeschränkte Langzeiterfahrung hinsichtlich der gesundheit¬lichen Unbedenklichkeit. Zur Bestimmung sicherheitsrelevanter Eigenschaften von lebensmittelassoziierten KNS wur¬den im Kapitel III-V Stämme der Spezies S. carnosus, S. condimenti und S. piscifermentans (S. carnosus-Gruppe) sowie S. equorum, S. succinus und S. xylosus (S. xylosus-Gruppe) phäno¬typisch und teils genotypisch untersucht. Weiterführend wurde im Kapitel VI ein DNA-Chip zum schnellen und simultanen Nachweis sicherheitsrelevanter Eigenschaften in KNS mit zu¬künftigem Einsatz in der Lebensmittelherstellung entwickelt. Um das Anwendungspotential des DNA-Chips zu erhöhen wurden bei der Konzeption des Chips technologisch relevante Eigenschaften mitberücksichtigt. Anschließend wurden phänotypisch charakterisierte KNS mit dem entwickelten Chip genotypisch auf sicherheitsrelevante Eigenschaften untersucht. In Kapitel III wurden 330 KNS der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe isoliert aus Lebensmitteln und Starterkulturen phänotypisch hinsichtlich der Resistenzen gegenüber 21 Antibiotika charakterisiert sowie die Resistenzgene blaZ, lnuA und tetK in Stämmen mit phänotypischer ß-Lactam-, Lincomycin- und Tetracyclin-Resistenz bestimmt. Die Studie beschreibt Antibiotikaresistenzprofile von Stämmen der Spezies S. equorum, S. succinus und S. piscifermentans und gibt durch die hohe Anzahl an untersuchten Stämmen einen Einblick in das Vorkommen von Antibiotika¬resistenzen in lebensmittelassoziierten KNS. In Kapitel IV wird die Bildung von Toxinen in lebensmittelassoziierten KNS der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe untersucht. Die hämolytische Aktivität auf Human- und Schafblutagar wurde von 330 Stämmen aus Lebensmitteln, Starterkulturen und klinischen Isolaten bestimmt sowie die Bildung von Staphylokokken-Enterotoxinen, Toxischen Schocksyndrom Toxin 1 und Exfoliativen Toxin A von 35 Stämmen mittels Immunoblot-Verfahrens. Das Kapitel zeigt, dass KNS die vielfach in fermentierten Lebensmitteln vorkommen, nicht generell als sicher betrach¬tet werden können. Um negative Effekte auf die humane Gesundheit zu vermeiden sollte das toxigene Potential von in der Lebensmittelherstellung eingesetzten Stämmen bestimmt werden. Kapitel V befasst sich mit der Bildung von Bindeproteinen an Extrazelluläre Matrixproteine (EZM) und von biogenen Aminen (BA) in 32 KNS Stämmen der S. carnosus- und S. xylosus-Gruppe. Die Bindekapazitäten an die EZM Fibronektin und Fibrinogen wurden mittels Mikrotiterplatten-Assays durch Fluoreszenzdetektion markierter Bakterienzellen an mit EZM beschichtete Mikrotiterplatten bestimmt. Die Bildung sechs wichtiger BA wurde mit HPLC sowie wachsenden und ruhenden Zellen untersucht. Dieses Kapitel demonstriert, das lebens¬mittelassoziierte KNS in der Lage sind unerwünschte Eigenschaften wie Bindeproteine an EZM und BA zu bilden. Daher ist weiterer Forschungsbedarf bezüglich potentieller Risiken und der Bedeutung in der menschlichen Gesundheit erforderlich, wenn Stämme mit diesen Eigen¬schaften zur Herstellung fermentierter Lebensmittel eingesetzt werden. Kapitel VI beschreibt die Konzeption eines Polynukleotid-basierenden DNA-Chips als Hilfs¬mittel zum Screenen von Genen mit möglicher gesundheitlicher und technologischer Rele¬vanz in lebensmittelassoziierten KNS. Auf dem DNA-Chip sind 220 Gene für Antibiotika¬resistenzen, Hämolysine, Toxine, Aminosäuredecarboxylasen (BA Bildung), EZM Binde¬proteine, Lipasen, Proteasen, Nitratatmung, Salz- und oxidative Stresstoleranz abgelegt. Die Hybridisierungen wurden mit genomischer DNA von 32, in Kapitel III-V phänotypisch unter¬suchten KNS, durchgeführt und können z.B. die Antibiotikaresistenzgene blaZ, lnuA, und tetK nachweisen. Gene, die für Decarboxylasen sowie Fibronektin- und Fibrinogen-Bindeproteine kodieren zeigten selten Übereinstimmung mit dem Phänotyp. Toxingene wurden nicht nach¬gewiesen. Technologisch relevante Gene (Proteasen, Lipasen, Katalase, Superoxiddismutase und Gene der dissimilatorischen Nitratreduktion) resultierten in Hybridisierungssignalen. Die Ergebnisse tragen zum Wissen über sicherheitsrelevante Eigenschaften lebensmittel¬assoziierter KNS bei, welches für eine präzise Sicherheitsbewertung erforderlich ist. Ein Vergleich der Ergebnisse aus Kapitel III-V und Kapitel VI zeigt, dass in der S. xylosus-Gruppe Antibiotika¬resistenzen sowie die Bildung von Toxinen und Bindeproteinen an EZM häufiger vorkommen als in der S. carnosus-Gruppe. Bei der Sicherheitsbewertung lebensmittel¬assoziierter KNS kann der konzipierte DNA-Chip als Hilfsmittel für ein kombi¬niertes Screening sicherheits- und technologisch relevanter Eigenschaften (Nitratreduktion, Kontrolle oxidativer Abbau durch Katalase, Geschmack- und Aromaverbesserung durch Proteasen und Lipasen) herangezogen werden. Zusammenfassend trägt der DNA-Chip dazu bei die Auswahlkriterien von KNS, die als Starterorganismen verwendet werden, hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und technologisch relevanter Eigenschaften zu verbessern

Conception et analyse des biopuces à ADN en environnements parallèles et distribués

Microorganisms represent the largest diversity of the living beings. They play a crucial rôle in all biological processes related to their huge metabolic potentialities and their capacity for adaptation to different ecological niches. The development of new genomic approaches allows a better knowledge of the microbial communities involved in complex environments functioning. In this context, DNA microarrays represent high-throughput tools able to study the presence, or the expression levels of several thousands of genes, combining qualitative and quantitative aspects in only one experiment. However, the design and analysis of DNA microarrays, with their current high density formats as well as the huge amount of data to process, are complex but crucial steps. To improve the quality and performance of these two steps, we have proposed new bioinformatics approaches for the design and analysis of DNA microarrays in parallel and distributed environments. These multipurpose approaches use high performance computing (HPC) and new software engineering approaches, especially model driven engineering (MDE), to overcome the current limitations. We have first developed PhylGrid 2.0, a new distributed approach for the selection of explorative probes for phylogenetic DNA microarrays at large scale using computing grids. This software was used to build PhylOPDb: a comprehensive 16S rRNA oligonucleotide probe database for prokaryotic identification. MetaExploArrays, which is a parallel software of oligonucleotide probe selection on different computing architectures (a PC, a multiprocessor, a cluster or a computing grid) using meta-programming and a model driven engineering approach, has been developed to improve flexibility in accordance to user’s informatics resources. Then, PhylInterpret, a new software for the analysis of hybridization results of DNA microarrays. PhylInterpret uses the concepts of propositional logic to determine the prokaryotic composition of metagenomic samples. Finally, a new parallelization method based on model driven engineering (MDE) has been proposed to compute a complete backtranslation of short peptides to select probes for functional microarrays.Les microorganismes constituent la plus grande diversité du monde vivant. Ils jouent un rôle clef dans tous les processus biologiques grâce à leurs capacités d’adaptation et à la diversité de leurs capacités métaboliques. Le développement de nouvelles approches de génomique permet de mieux explorer les populations microbiennes. Dans ce contexte, les biopuces à ADN représentent un outil à haut débit de choix pour l'étude de plusieurs milliers d’espèces en une seule expérience. Cependant, la conception et l’analyse des biopuces à ADN, avec leurs formats de haute densité actuels ainsi que l’immense quantité de données à traiter, représentent des étapes complexes mais cruciales. Pour améliorer la qualité et la performance de ces deux étapes, nous avons proposé de nouvelles approches bioinformatiques pour la conception et l’analyse des biopuces à ADN en environnements parallèles. Ces approches généralistes et polyvalentes utilisent le calcul haute performance (HPC) et les nouvelles approches du génie logiciel inspirées de la modélisation, notamment l’ingénierie dirigée par les modèles (IDM) pour contourner les limites actuelles. Nous avons développé PhylGrid 2.0, une nouvelle approche distribuée sur grilles de calcul pour la sélection de sondes exploratoires pour biopuces phylogénétiques. Ce logiciel a alors été utilisé pour construire PhylOPDb: une base de données complète de sondes oligonucléotidiques pour l’étude des communautés procaryotiques. MetaExploArrays qui est un logiciel parallèle pour la détermination de sondes sur différentes architectures de calcul (un PC, un multiprocesseur, un cluster ou une grille de calcul), en utilisant une approche de méta-programmation et d’ingénierie dirigée par les modèles a alors été conçu pour apporter une flexibilité aux utilisateurs en fonction de leurs ressources matériel. PhylInterpret, quant à lui est un nouveau logiciel pour faciliter l’analyse des résultats d’hybridation des biopuces à ADN. PhylInterpret utilise les notions de la logique propositionnelle pour déterminer la composition en procaryotes d’échantillons métagénomiques. Enfin, une démarche d’ingénierie dirigée par les modèles pour la parallélisation de la traduction inverse d’oligopeptides pour le design des biopuces à ADN fonctionnelles a également été mise en place