上海理工大学科技成果生物医学大数据.docx
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上海理工大学科技成果生物医学大数据
上海理工大学科技成果——生物医学大数据
1、免疫诊治靶点抗原性预测
本团队拥有生物信息学研究方向的成员,在致病微生物大数据处理方面具有扎实的理论基础与研究经验,善于利用生物信息学手段分析在人群中广泛流行的病原微生物,从而能够对疾病的防治起到预警作用。
其主要工作成果在于流感病毒重要抗原性位点筛选,流感病毒抗原性距离预测,流感病毒流行性监控以及有效疫苗株推荐等方面,具体阐述如下:
(1)流感病毒重要抗原性位点筛选
不同时期流感病毒血凝素蛋白上频繁突变的位点
本工作首先对自1968年以来近五十年间的流行流感病毒株进行统计,分析了其主要抗原蛋白-血凝素蛋白上每个氨基酸位置的抗原性贡献度,并成功筛选出对抗原性漂移起关键作用的蛋白位点,为分析血凝素蛋白抗原性的差异提供了基础。
针对所筛选出的蛋白位点,进一步通过计算机模拟技术,实现对每个位置上氨基酸所经受的进化压力进行量化。
关键位点筛选
各位点进化压力
(2)流感病毒抗原性距离预测基于上述筛选的重要抗原性位点,构建生物信息学预测模型预测抗原性距离。
以重要抗原性位点为基础,通过整合抗原蛋白的序列特征与氨基酸所处空间三维结构特征,利用机器学习的算法,在训练集上总结抗原性改变的规律,成功构建了抗原性距离预测模型,能够实现对流感病毒快速高通量的抗原性分析。
通过与同类别计算模型进行比较,发现本模型在加入三维空间上局部微环境的理化性质后,在预测效果上能够达到明显的提升,具有敏感探测抗原性逃逸病毒株的优势,能够在病毒株开始发生抗原性改变时及时给予提醒。
2、预测微生物学与风险评估
(1)预测微生物学建模技术及应用
以肉类食品为主要基质,构建了单增李斯特菌、肠炎沙门氏菌、副溶血性弧菌、金黄色葡萄球菌、气单胞菌、生孢梭菌等主要致病菌或条件致病菌或研究替代菌的生长、残存、失活、损伤、修复等状态以及低温、酸化、渗透压、气调包装等环境条件下的动力学和概率模型,特别是通过生长模型探讨了在货架期预测方面的应用可能性,设计了电子TTI结构模式,并对冷冻损伤型的气单胞菌建立了适用的失活模型,初步探讨其冷冻损伤和修复机制,另外完善了两菌竞争拮抗建模理论(单增李斯特菌与植物乳杆菌、肠炎沙门氏菌与铜绿假单胞菌),构建了新型防腐剂(乳酸钠)结合热处理的肠炎沙门氏菌的预测模型。
在“失活是生长的逆过程”这一思路下,构建了较大温度范围内的气单胞菌和生孢梭菌统一化模型,即通用的Gompertz模型来对冷却肉中有害菌进行模拟。
基于酸和渗透压的栅栏效应建立预测模型,探讨酸化和渗透压对浮游态、分离态和吸附态的肠炎沙门菌生长的影响,探究酸化和渗透压的不同处理顺序对肠炎沙门菌失活的影响,进而实现了肠炎沙门菌生长和失活模型的统一化和失活模型的普遍化。
预测微生物动力学模型示意图
气调包装条件下假单胞菌的G/NG概率模拟
电子式TTI剩余货架期设计示意图
失活曲线的“镜像化”转化为生长曲线示意图
细胞水平上群体细胞动力学原理图
(2)微生物交叉污染建模技术及应用
以肉类加工、流通、贮藏等下游生产链为切入点,以工厂加工生产、超市卖场销售、冷链运输流通、厨房贮藏烹饪等为主要场景设计,对气单胞菌、单增李斯特菌、肠炎沙门氏菌等的交叉污染建模理论进行了完善,定量观测并模拟了食源性致病菌在不同传递介质和操作方式影响下的交叉污染情况,并与消费者摄入后的定量暴露评估、风险管理预警、限量标准制定、软件参数设置等相结合,特别是提出了采用矩阵的形式对气单胞菌在不同场景下和不同介质之间的转移过程进行量化的直观方法,模拟了厨房环境下消费者食用不同材质案板处理过的污染单增李斯特菌的生熟食品后发病率推算方法,完善了整合低温乳化香肠加工过程交叉污染的单增李斯特菌定量风险评估体系,系统推动了用于微生物定量风险评估的微生物交叉污染建模应用。
交叉污染的矩阵量化转化的示意图
(3)微生物单细胞监测平台搭建及建模应用
通过建立单细胞生长流动成像系统,探究铜绿假单胞菌单细胞生长规律,同时,采用多次模拟探究不同初始接菌量对铜绿假单胞菌群体细胞生长迟滞期的影响,进行单细胞水平建模(IbM),实现不同初始接菌量下铜绿假单胞菌群体细胞的随机生长模拟,采用单细胞生长流动成像系统探究不同温度骤变下铜绿假单胞菌的生长规律。
整合低温乳化香肠加工过程交叉污染的单增李斯特菌定量风险评估
通过单细胞观测平台构建的致病菌迟滞期概率分布图
(4)微生物定量风险评估及智能预警平台开发
系统开展了单增李斯特菌、肠炎沙门氏菌、蜡样芽胞杆菌、气单胞菌等食源性致病菌的定量风险评估,完善了肉类中致病菌的定量暴露评估研究体系,开展了冷却猪肉中气单胞菌暴露评估的不确定性和变异性比较,明确了阴性样品中致病菌分布对微生物定量风险评估的影响,完善了致病菌不同剂量效应模型的构建及优化,完善了食源性致病菌之一的单增李斯特菌的竞争建模、定量风险评估及风险管理等。
基于以上开发整合设计了具有自主知识产权的食品安全风险预警软件,开发设计了具有自主知识产权的“食品安全风险预警软件”,进一步以微软Excel的加载宏模式为载体,使用VBA程序编写,将预测微生物模型与风险评估相结合,使用者根据预测模型拟合出的生长参数,输入对应单元格即可求得患病概率,由此构建更为切实可行的基于预测微生物模型的风险评估软件。
进而设计开发了基于预测微生物模型及剂量效应模型的“MicroriskLab”在线工具平台。
风险评估的敏感性分析和阴性样品分布设定
风险矩阵及部分预警溯源平台设计
(5)食源性致病菌-阪崎克罗诺杆菌(阪崎肠杆菌)的分子检测方法的建立与应用
研究分别建立了食品中克罗诺杆菌常规PCR和Real-timePCR的快速检测方法,方法具有很好的特异性和灵敏性,可以应用于食品中克罗诺杆菌的检测。
其中常规PCR检测方法选取了两个特异性的基因,使得检测方法具有更高的特异性。
Real-timePCR检测体系中加入了竞争性扩增内标,大大降低了假阴性发生的可能性。
相关结果发表在国际刊物FoodControl上,引用次数达到30余次。
常规PCR和Real-timePCR方法检测阪崎克罗诺杆菌
(6)肉及肉制品中食源性致病菌的生长及热失火模型的研究
主要研究了食源性致病菌(以肠炎沙门氏菌和单增李斯特菌为主,此外还有大肠杆菌O157:
H7和空肠弯曲杆菌)生长和致死预测微生物模型研究。
研究涉及:
预测微生物模型,致病菌检测与控制,微生物胁迫抗性等内容。
系统研究了在模拟的储藏温度和热处理方式下两种致病菌在模拟食品基质系统和真实食品中的生长,热致死、损伤和修复动态变化情况。
研究结果表明两种致病菌在液体、固体的模拟系统中以及真实的食品中呈现不同的热杀死动态学曲线。
基于模拟系统建立的生长和热致死模型并不能很好的应用于预测肉及肉制品中致病菌的真实状态。
此外研究还发现肉质品中的添加剂(以NaCl和乳酸钠为例)对致病菌的生长和热杀死都会产生抑制的作用;热损伤的细胞在低温储藏条件下相比较健康的细胞需要更长的时间的进行修复和恢复生长的能力。
此外还以大肠杆菌为例对细菌热抗性和酸耐受性交叉保护以及热抗性多样性现象进行了初探。
该研究结果可以用于判断基于食品基质的预测微生物模型用于真实食物的可行性,还可以为食品加工企业和食品安全政府政策制定部门制定热加工标准从而保证食品安全提供参考。
此外该研究还提供了两种致病菌生长和热致死的定量评估结果,未来可以用于致病微生物风险评估研究。
食品中食源性致病菌生长和失火动态曲线示意图
(7)发酵肉制品中生物胺的来源与控制
该研究集中于探索发酵肉制品中生物胺的检测、主要来源以及控制措施。
研究建立了用液相色谱检测常见生物胺的方法。
研究还发现,在肉制品发酵成熟阶段存在于其中的生物胺产生菌是生物胺的“主要贡献者”,通过添加发酵剂可以有效控制发酵肉质品种生物胺的产生。
研究结果为肉制品生产者控制生物胺的产生提供了有效的方法。
食品中影响生物胺生成因素分析
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