Fermente gıdalarda bakteriyosin çeşitliliğinin ve bakteriyosin varlığının mikrobiyota ile ilişkisinin in siliko analizi
In silico analysis of bacteriocin diversity and the relationship between bacteriocin presence and microbiota in fermented foods
Yazar: NACİYE AFRANUR KANIBOL
Danışman: PROF. DR. ÖMER ŞİMŞEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Fermente gıda ürünlerinde bakteriyosin genlerini taşıyan ve bakteriyosin üreticisi mikroorganizmaların tespiti, fermente gıda mikrobiyotasının derinlemesine anlaşılması için oldukça önemlidir. Fermente gıdaların mikrobiyotası ile bakteriyosin üreticisi mikroorganizmaların varlığı arasındaki ilişkinin tespiti, ek olarak bu analizler sırasında biyoinformatik araçların da kullanılmasıyla veri analizine öncülük edilmektedir. Bu doğrultuda, mikrobiyotada laboratuvar ortamında tespit edilemeyen mikrobiyal türler, kültürden bağımsız yöntemlerin kullanılması ile tespit edilebilmektedir. Ek olarak bakteriyosin üretimi ile aralarındaki ilişkinin anlamlandırılması ile laboratuvar ortamında tespit edilemeyen bilgiler elde edilebilmektedir.
Bu çalışmada Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Pediococcus ve Weissella cinslerine ait bakteriyosinler, BACTIBASE veri tabanından elde edilen protein dizilimleri ile toplam 96 farklı bakteriyosin geni temin edilerek yeni bir bakteriyosin veri tabanı oluşturulmuştur. NCBI SRA veri tabanından temin edilen çeşitli 16 adet fermente ürün shotgun metagenom dizi okuması DIAMOND 2.1.9 ile hizalanarak bakteriyosin genleri ile eşleşen dizilerin tespiti gerçekleştirildikten sonra Biopython 1.83 kütüphanesi kullanılarak bakteriyosin üreticilerinin fermente gıdalarda çeşitliliğinin, üretici organizma türlerinin ve bakteriyosin genlerinin yerleşimi hakkında bilgi sahibi olunmuştur. Ek olarak QIIME 2 2024.2 yazılımı ile, ilgili fermente ürün shotgun metagenom dizi okumalarından taksonomik analiz gerçekleştirilmiştir. MEGAHIT montaj aracı ile birleştirilen dizilere sınıflandırıcı Kraken 2'nin Standard-8 isimli veritabanı kullanılarak taksonomik atamalar gerçekleştirilmiştir. MINITAB 19 kullanılarak temel bileşen analizi gerçekleştirilmiştir. Verilerin görselleştirilmesi amacıyla R paketi olan ggplot2 3.5.0 kullanılmıştır.
Elde edilen bilgiler sonucunda, ilgili fermente ürünlerde en çok bulunan bakteriyosin sınıfı IIb olarak tespit edilmiştir ve en çok bulunan bakteriyosin geni plantaricin E genine aittir. Lactiplantibacillus plantarum türü fermente gıdalarda en çok bulunan bakteriyosin üreticisi mikroorganizmadır. Bakteriyosin miktarı açısından en yüksek fermente ürün 1349 adet bakteriyosin gen kümesi tespit edilen kimçi olmuştur. En düşük bakteriyosin miktarına sahip fermente ürün ise 1 adet bakteriyosin gen kümesi tespit edilen yoğurt olmuştur.
Taksonomik analiz sonucunda, SRR13564730 koduna sahip zeytin örneği diğer fermente gıdaların içerdiği taksonomik birimlerden daha farklı taksonomik birimler içerdiğinden beta çeşitlilik grafiğinde diğer fermente ürünlerle pozitif ilişkili olarak gruplanacak şekilde kümelenmiştir. 
Sonuç olarak, fermente gıdalardaki bakteriyosin çeşitliliği ve fermentasyon özelliğine göre üretici mikroorganizmaların çeşitliliği arasında ilişkiler kurulmuştur. Fermente gıda ve bakteriyosin çeşitliliğinin araştırılmasına yönelik biyoinformatik bir yaklaşım kurgulanarak, fermente gıdaların önemli bakteriyosin üreticisi mikroorganizmaları içerdiği anlaşılmıştır.

Abstract:
Detection of bacteriocin-producing microorganisms that carry bacteriocin genes in fermented food products is very important for an in-depth understanding of the fermented food microbiota. Data analysis is pioneered by determining the relationship between the microbiota of fermented foods and the presence of bacteriocin-producing microorganisms, and also by using bioinformatics tools during these analyses. In this regard, microbial species in the microbiota that cannot be detected in the laboratory environment can be detected by using culture-independent methods. In addition, understanding the relationship between bacteriocin production and, information that cannot be detected in the laboratory environment can be obtained.
In this study, a new bacteriocin database was created by providing bacteriocins belonging to the genera Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Pediococcus, and Weissella, and a total of 96 different bacteriocin genes with protein sequences obtained from the BACTIBASE database. Various 16 fermented product shotgun metagenome sequence reads obtained from the NCBI SRA database were aligned with DIAMOND 2.1.9 and the sequences matching the bacteriocin genes were detected, and then Biopython 1.83 library was used to obtain information about the diversity of bacteriocin producers in fermented foods, the types of producer organisms and the location of bacteriocin genes. Additionally, taxonomic analysis was performed from the relevant fermented product shotgun metagenome sequence reads with QIIME 2 2024.2 software. Taxonomic assignments were made to the sequences assembled with the MEGAHIT assembly tool using the classifier Kraken 2's Standard-8 database. Principal component analysis was performed using MINITAB 19. R package ggplot2 3.5.0 was used to visualize the data.
As a result of the information obtained, the most abundant bacteriocin in the relevant fermented products was determined to be class IIb, and the most abundant bacteriocin gene belongs to the plantaricin E gene cluster. Lactiplantibacillus plantarum species is the most common bacteriocin-producing microorganism found in fermented foods. The fermented product with the highest amount of bacteriocins was kimchi, with 1349 bacteriocin gene clusters detected. The fermented product with the lowest amount of bacteriocin was yogurt, in which 1 bacteriocin gene cluster was detected.
As a result of the taxonomic analysis, the olive sample with the code SRR13564730 was clustered in a positive relationship with other fermented products in the beta diversity chart, as it contains different taxonomic units than the taxonomic units contained in other fermented foods.
As a result, relationships have been established between the diversity of bacteriocins in fermented foods and the diversity of producer microorganisms according to fermentation characteristics. By establishing a bioinformatics approach to investigate fermented food and bacteriocin diversity, it has been understood that fermented foods contain important bacteriocin-producing microorganisms.