Napovedovanje patogenosti in perzistence bakterij Listeria monocytogenes na osnovi značilnosti njihovih biofilmov in surfaktoma s pomočjo strojnega učenja
Oznaka in naziv projekta
J4-4555 Napovedovanje patogenosti in perzistence bakterij Listeria monocytogenes na osnovi značilnosti njihovih biofilmov in surfaktoma s pomočjo strojnega učenja
J4-4555 Exploring the biofilm phenotype and surfactome of Listeria monocytogenes to predict its persistence and pathogenicity potential using machine learning
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Jerica Sabotič
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Raziskovalni projekt obravnava bakterije Listeria monocytogenes, ki pri ljudeh in živalih povzročajo resne okužbe z visoko smrtnostjo 20–30 %. Prenašajo se prek kontaminiranih živil, pogostost okužb pa v zadnjih letih narašča. Ključni mehanizmi preživetja so visoka odpornost na stresne pogoje in sposobnost tvorbe biofilmov na različnih površinah v živilski industriji. Biofilmi so kompleksne 3D-strukture bakterijskih združb, ki jih ščitijo pred dezinfekcijo in čiščenjem, kar vodi v ponavljajoče kontaminacije. V projektu smo proučevali biofilme L. monocytogenes s pomočjo mikroskopije, poglobljene in avtomatizirane analize slik ter multimodalnega strojnega učenja.
Izbrali smo epidemiološko reprezentativne izolate L. monocytogenes, na osnovi katerih smo zasnovali zajem podatkov in učenje modelov strojnega učenja. Ključen poudarek v projektu je bil na strukturnih značilnostih biofilmov iz 3D slik, upoštevajoč podatke, pridobljene na osnovi razlik v surfaktomu in glikomu bakterijskih izolatov. Drugi ključni poudarek projekta je bila modulacija 3D-strukture biofilma s pomočjo substratov iz živil, pogosto povezanih z izbruhi okužb pri ljudeh. Spremembe, ki smo jih zaznali kot odziv na izpostavitev tem substratom, smo uporabili za nadaljnjo optimizacijo modelov in preverjanje njihove uporabnosti.
Orodje MicroICS , ki smo ga razvili v tem projektu, omogoča avtomatizirano analizo 3D-slik biofilmov, izračune strukturnih značilnosti biofilmov ter modeliranje na osnovi strojnega učenja, ki poveže strukturne lastnosti biofilmov posameznih izolatov z drugimi lastnostmi izolatov, kot so patogenost, perzistenca ipd., in je uporabno tudi pri drugih bakterijskih vrstah. Ključni nalogi za razviti model sta bili razločevanje med izbranimi izolati L. monocytogenes ter povezovanje strukturnih značilnosti biofilmov s patogenostjo. Pri razločevanju med sevi smo dosegli točnost nad 80 %, kar presega rezultate strokovnjakov s področja biofilmov. Pri tem so bile ključne strukturne značilnosti kot sta fraktalnost in nezapolnjen prostor, ki opisujeta teksturo biofilma. Razviti model se je izkazal za uspešnega tudi pri nalogi povezovanja strukturnih značilnosti s klinično relevanco, tj. sposobnostjo povzročanja bolezni, pri čemer so za napovedovanje klinične relevance pomembne značilnosti, ki opisujejo število bakterij ter volumen biofilma, manj pa teksturne značilnosti, ki so pomembne za razlikovanje med sevi. Pri modulaciji strukture biofilma z različnimi substrati rastlinskega in živalskega izvora smo ugotovili, da nekateri izolati spremenijo strukturo biofilma, drugi pa se ne odzovejo, kar razviti model z veliko zanesljivostjo prepozna.
Razviti model MicroICS in opisani rezultati so javno dostopni in na voljo vsem uporabnikom ter bodo v pomoč pri iskanju novih učinkovitih strategij nadzora biofilmov in dolgoročno preprečevanju izbruhov listerioze, s čimer smo dosegli cilj poglobljenega razumevanja značilnosti biofilmov L. monocytogenes.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Arhitektura biofilma sevov L. monocytogenes Cilj prvega sklopa je analizirati arhitekturo biofilmov izbranih sevov L. monocytogenes z uporabo fluorescenčne mikroskopije in razviti komplet orodij za analizo 3D slik biofilmov. Na osnovi zbranih vpogledov se nato izbere 2 do 4 obetavne seve z najbolj zanimivimi lastnostmi. Te seve bomo nato uporabili v naslednjih delovnih sklopih.
2. Vpliv hranil na tvorbo biofilma bakterij L. monocytogenes Namen drugega sklopa je analizirati, ali hranila, ki so na voljo med rastjo bakterij, vplivajo na kasnejšo tvorbo biofilmov na različnih površinah in kako vplivajo na fenotip biofilma. Pogoje za rast in tvorbo biofilma, ki kažejo največje razlike v fenotipu, bomo nadalje raziskali v okviru projekta s poudarkom na razlikah med substrati in hranili živalskega in rastlinskega izvora ter sevi, ki so ali niso povzročili bolezni.
3. Vpliv hranil na surfaktom bakterij L. monocytogenes Namen tretjega sklopa je analizirati, kako izbrana hranila, prisotna med rastjo bakterij, za katere se je izkazalo, da vplivajo na fenotip biofilma, vplivajo na surfaktom listerij, s ciljem, da najdemo vzrok za spremembo fenotipa na molekularni ravni. Listerije bomo gojili v tekočem gojišču pod rastnimi pogoji, ki so pokazali največje razlike v kasnejšem fenotipu biofilma. Za te analize bomo izbrali en do dva izvlečka in dva do štiri izbrane sladkorje, s poudarkom na razlikah med substrati in hranili živalskega in rastlinskega izvora.
4. Vpliv hranil na virulenco bakterij L. monocytogenes Namen četrtega sklopa je analizirati, kako izbrana hranila, prisotna med rastjo bakterij, vplivajo na potencial patogenosti seva. Listerije bomo gojili v tekočem gojišču pod rastnimi pogoji, ki so pokazali največje razlike v kasnejšem fenotipu biofilma, nato pa bomo ovrednotili njihov adhezijski in invazivni potencial.
Bibliografske reference
Znanstveni članek
JANEŽ, Nikolaja, LADÁNYI, Márta, ZAVERŠEK, Nika, ČOTAR, Petra, SEBASTIJANOVIĆ, Aleksandar, ŠTRANCAR, Janez, SABOTIČ, Jerica, PAJK, Stane. Synthesis and evaluation of lipophilic fluorescent probes for the labelling of Listeria and their impact on biofilm formation. Journal of microbiological methods. 2025, vol. 236, art. no. 107206, 1-8 str. ISSN 1872-8359. doi: 10.1016/j.mimet.2025.107206. [COBISS.SI-ID 255097603]
Pregledni znanstveni članek
SABOTIČ, Jerica, BAYRAM, Engin, JANEŽ, Nikolaja, VASQUEZ, Marlen I., et al. A guide to the use of bioassays in exploration of natural resources. Biotechnology advances. 2024, Mar-Apr; 71:108307. doi: 10.1016/j.biotechadv.2024.108307 [COBISS.SI-ID 180088579]
Znanstvena monografija
ŠKRLJ, Blaž. From unimodal to multimodal machine learning : An overview. Cham: Springer, 2024. 70 str. SpringerBriefs in Computer Science. ISBN 978-3-031-57015-5. ISSN 2191-5768. [COBISS.SI-ID 196956419]
Objavljeni povzetek znanstvenega prispevka na konferenci (vabljeno predavanje)
JANEŽ, Nikolaja, STERNIŠA, Meta, JUG, Blaž, ZUPAN, Tanja, SEBASTIJANOVIĆ, Aleksandar, PERIŠIĆ, Milica, KARNIČAR, Katarina, TALER-VERČIČ, Ajda, TURK, Dušan, KLANČNIK, Anja, ŠTRANCAR, Janez, SABOTIČ, Jerica. Vloga mikrobne glikobiologije pri proučevanju razvoja bakterijskih biofilmov. V: KUŠAR, Darja (ur.), JAMNIKAR CIGLENEČKI, Urška (ur.). 9. kongres Slovenskega mikrobiološkega društva : knjiga povzetkov : 14.–16. februar 2024. Ljubljana: Slovensko mikrobiološko društvo, 2024. Str. 30. [COBISS.SI-ID 186070275]
Objavljeni povzetek znanstvenega prispevka na konferenci
PETERNEL, Tjaša, JANEŽ, Nikolaja, STERNIŠA, Meta, JUG, Blaž, SEBASTIJANOVIĆ, Aleksandar, PERIŠIĆ, Milica, KARNIČAR, Katarina, TUMPEJ, Tadeja, TURK, Dušan, ŠTRANCAR, Janez, KLANČNIK, Anja, SABOTIČ, Jerica. Fungal lectins show antibiofilm activity against foodborne strains of Listeria monocytogenes and Listeria innocua. V: SEPČIĆ, Kristina (ur.), PAVŠIČ, Miha (ur.). 15th Meeting of the Slovenian Biochemical Society with International Participation = 15. srečanje Slovenskega biokemijskega društva z mednarodno udeležbo : book of abstracts = zbornik povzetkov : Portorož, 20-23 September 2023. Slovensko biokemijsko društvo, 2023. Str. 140, p89. [COBISS.SI-ID 165933827]
PAVLINJEK, Natalija, GRANDOVEC, Eva, JUG, Blaž, JANEŽ, Nikolaja, ŠKET, Primož, PLAVEC, Janez, BERLEC, Aleš, KLANČNIK, Anja, SABOTIČ, Jerica. Optimization of the extraction of extracellular polymeric substances from lactic acid bacteria and their characterization. V: SEPČIĆ, Kristina (ur.), PAVŠIČ, Miha (ur.). 15th Meeting of the Slovenian Biochemical Society with International Participation = 15. srečanje Slovenskega biokemijskega društva z mednarodno udeležbo : book of abstracts = zbornik povzetkov : Portorož, 20-23 September 2023. Slovensko biokemijsko društvo, 2023. Str. 35, s12. [COBISS.SI-ID 165924611]
JANEŽ, Nikolaja, BELLICH, Barbara, STERNIŠA, Meta, RAVENSCROFT, Neil, KLANČNIK, Anja, CESCUTTI, Paola, SABOTIČ, Jerica. Structure of the Listeria innocua ŽM39 cell wall teichoic acid and analysis of its biosynthesis gene. V: EUROCARB : abstract book. [S. l.: s. n., 2023]. Str. p149. [COBISS.SI-ID 162552835]
GOLOB, Majda, AVBERŠEK, Jana, MIĆUNOVIĆ, Jasna, KAVALIČ, Maja, MRKUN, Janko, KRT, Branko. Occurence of infectious agents causing abortion in Slovenian autochthonous sheep breeds. V: Abstract book : 5th International Conference of the European College of Veterinary Microbiology : 21-23 September 2023, Bled, Slovenia. Str. 45-46. [COBISS.SI-ID 169145603]
Zaključena znanstvena zbirka raziskovalnih podatkov
BELLICH, Barbara, JANEŽ, Nikolaja, STERNIŠA, Meta, KLANČNIK, Anja, RAVENSCROFT, Neil, SABOTIČ, Jerica, CESCUTTI, Paola. Listeria innocua strain ZM39 chromosome (complete genome) : dostop do podatkov: NCBI Reference Sequence: NZ_CP084086. [Ljubljana: Inštitut Jožef Stefan], 2023. [COBISS.SI-ID 183495171]
Prispevek na konferenci brez natisa
SABOTIČ, Jerica. Ocean4Biotech publications : bioassays : Final Ocean4Biotech Workshop, COST Action CA18238, hybrid meeting, Riga, 7. 3. 2024. [COBISS.SI-ID 189787395]
SABOTIČ, Jerica. STSM presentation : spatial structure of complex biofilms and their eradication by lectins from natural resources : Final Ocean4Biotech Workshop, COST Action CA18238, hybrid meeting, Riga, 7. 3. 2024. [COBISS.SI-ID 189786627]
Mentorstva pri magistrskih delih (bolonjski študij)
PAVLINJEK, Natalija. Optimizacija izolacije in analiza sestave zunajceličnega matriksa bakterij Lactobacillus spp., Lactococcus spp. in Pseudomonas spp. : magistrsko delo = Isolation optimization and analysis of extracellular matrix composition of the Lactobacillus spp., Lactococcus spp. and Pseudomonas spp. : M. Sc. Thesis. Ljubljana: [N. Pavlinjek], 2023. [COBISS.SI-ID 169198083]
PESTEREAN, Maria. Modulacija adhezije bakterij Campylobacter in Listeria na modelnih površinah : magistrsko delo = Adhesion of bacteria Campylobacter and Listeria on model surfaces : M. Sc. Thesis. Ljubljana: [M. Pesterean], 2023. [COBISS.SI-ID 144942595]
Somentorstvo pri magistrskih delih (bolonjski študij)
MLINŠEK, Anja. Sinteza in vrednotenje derivatov nilsko rdečega za spremljanje rasti bakterijskega biofilma = Synthesis and evaluation of Nile red derivatives for monitoring of bacterial biofilm growth : enoviti magistrski študijski program Farmacija. M. Sc. Thesis. Ljubljana: [A. Mlinšek], 2024. [COBISS.SI-ID 197575939]
Dogodek
JANEŽ, Nikolaja (intervjuvanec), JUREČIČ, Klara (oseba, ki intervjuva). Nika Janež : Zgodba o bakterijskih skupnostih se prične s pritrjevanjem na površino : Oddaja Podobe znanja, RTV SLO, 13. 06. 2025. [COBISS.SI-ID 241892355]
KLANČNIK, Anja (diskutant), STERNIŠA, Meta (diskutant), SABOTIČ, Jerica (diskutant), PERŠ, Janez (diskutant), GOBEC, Stanislav (diskutant), LORBEK, Luka (diskutant), DACINGER, Renata (drugo). Kako se znanost prilagaja in odziva na družbene potrebe in izzive? : pogovor v okviru cikla pogovorov z alumni za alumne "Alumniteka" v organizaciji Kluba alumnov Univerze v Ljubljani, Ljubljana, Fakulteta za strojništvo, 6. 9. 2023. Alumniteka. https://www.uni-lj.si/alumni/novice/2023081108434845. [COBISS.SI-ID 164641027]