PathoSeq: Food safety with high precision - Pathogenomics for the food industry

Helgenomsekvensering (WGS) er en metode for å lese av en organismes totale arvemateriale. Sammenlignet med tradisjonelle metoder gir WGS overlegent mer sensitive, spesifikke og presise svar på for eksempel hvor nært beslektet en bakterie funnet i mat eller en matbedrift er med et pasientisolat. Metodikken har derfor revolusjonert måten offentlige myndigheter innenfor folkehelse og næringsmiddelsikkerhet foretar sporing, sykdomsoppklaring og overvåking av patogene bakterier. I matindustrien kan bruk av WGS innenfor forebyggende kvalitetsarbeid bidra til å avdekke smittekilder og -veier, og potensielt forhindre matbårne sykdomsutbrudd. WGS kan også styrke bedriftenes risikoanalyser gjennom informasjon om virulens, patogenisitet og antibiotikaresistens. Det finnes imidlertid flere hindringer før man kan begynne å bruke WGS i større skala i matindustrien. Målet med PathoSeq-prosjektet er derfor å identifisere og løse teknologiske, biologiske, praktiske, juridiske og regulatoriske barrierer for bruk av WGS-teknologi i matindustrien, og med det legge til rette for at norsk matindustri skal kunne håndtere utfordringer og utnytte mulighetene som ligger i dette teknologiske skiftet. For å oppnå dette har vi kombinert biologisk og teknologisk kompetanse med samfunnsvitenskapelig og juridisk forskning, samt aktiv deltagelse fra sentrale aktører i norsk matindustri. Prosjektet har valgt å fokusere på Listeria monocytogenes, som er den viktigste mattrygghetsutfordringen i norsk matindustri. En av faktorene som hindrer effektiv bruk av WGS i matindustrien er mangel på kunnskap om opprinnelse, diversitet og utbredelse av forskjellige typer av L. monocytogenes i næringskjeden. Effektiv kontroll forutsetter også raskere identifisering av bakteriene enn det som er tilfelle i dag, samt tilgjengelig informasjon om egenskaper hos individuelle bakteriestammer, som for eksempel overlevelsesegenskaper og virulens. Videre må genetisk informasjon om mikroorganismene kunne deles og sammenlignes, i sanntid og på tvers av sektorer, noe som vil kreve åpenhet, tillit og klare retningslinjer for samarbeid. Prosjektet har kartlagt juridiske og forvaltningsmessige aspekter som er relevante i forhold til implementering av WGS-metodikk for regulering og kontroll av matsikkerhet, nasjonalt og internasjonalt, og har pekt ut mulige fremtidige retningsvalg som ivaretar ulike aktørers interesser. Prosjektet har bidratt til å frembringe nødvendig kunnskap for å utnytte potensialet som ligger i WGS for mattrygghet og folkehelse. Prosjektet har sekvensert nærmere 800 miljøisolater av Listeria monocytogenes fra 15 forskjellige prosesseringsanlegg for kjøtt og sjømat, samlet inn over en periode på over 30 år. Dette har gitt økt kunnskap om opphav, smitteveier, mangfold og distribusjon av ulike Listeria-varianter i norsk matindustri (AP1). Kartlegging av slektskap mellom de individuelle isolatene viste at over halvparten var svært nært beslektet med bakterieisolater funnet i andre fabrikker. Likheten mellom disse var på nivå med det man ofte ser blant isolater knyttet til samme utbrudd av listeriose, og betyr at en bred oversikt over hvilke listeria-kloner som sirkulerer i norske matkjeder er viktig bakgrunnskunnskap ved tolking av WGS-resultater. Undersøkelse av genetiske faktorer viste at de dominerende Listeria-variantene som hadde etablert seg som husstammer i flere fabrikker var bedre tilpasset produksjonsmiljøet. Undersøkelse om det er mulig å bruke WGS-data for å se etter spesielle gener som har betydning for alvorlighetsgrad ved sykdom, med tanke på å muligheten for å bruke denne informasjonen i risikovurderinger i matindustrien, viste at de genetiske analysene ikke alltid korrelerte med eksperimentelle data for infeksjonseffektivitet (AP3). Vi har sett nærmere på om metagenomiske sekvenseringsmetoder kan brukes til å gi raskere og mer sensitive prøvesvar, noe som kan gi bransjen mulighet til raskere å sette inn tiltak ved positive prøver. Resultatene viste at vi ved hjelp av Nanopore sekvenseringsteknologi kunne påvise Listeria etter fire timer oppformering i selektivt medium (AP2). Prosjektet har vært involvert i å utvikle dataverktøy til bruk i matindustrien for visualisering og håndtering av WGS-resultater og har utarbeidet praktiske analysestrategier for hvordan sekvensdata kan brukes for å styrke bedriftenes internkontrollsystemer (AP4). Som del av arbeidet med å fasilitere bruk av helgenomsekvensering i matindustrien er det gjennomført en kartlegging av juridiske problemstillinger og gjeldende norsk regelverk relevant for bruk av WGS. Videre er det gjennomført intervjuer med alle prosjektets industripartnere, samt en del andre relevante aktører, for å kartlegge praksis og opplevde utfordringer relatert til det juridiske rammeverket (AP5).

PathoSeq has provided Norwegian food producers with increased knowledge, competence, and tools needed to effectively cope with upcoming global digital pathogen surveillance systems, and provided first-hand experience in the use of WGS data for food safety management, contributing to Norwegian food businesses currently being at the forefront worldwide in implementation of WGS technology for pathogen control in the food industry. Together with dissemination of the generated scientific knowledge on the genetic diversity of Listeria monocytogenes found within Norwegian food chains to food safety authorities and other actors, this should reduce the risk of Norwegian food producers being wrongly suspected by customers or authorities for being sources of contaminations and outbreaks, and will contribute to prevention of foodborne disease and increased sustainability through reduction in recalls and food waste. Project outcomes include reinforcement of Nofima’s role as a leading actor supporting the food industry on how to manage Listeria monocytogenes, increased interdisciplinary research collaboration (law and microbiology) and international research collaboration (Norway and Austria). Within the field of food microbiology, the project has generated significant contributions to the scientific knowledge and understanding of the diversity, hazard characterization, and spread of Listeria monocytogenes in food chains. Within the field of law, the project constitutes pioneering work on the topic of food safety legislation and constitutes a foundation for further research on the topic.

The long term vision of PathoSeq is that the Norwegian food industry move to the forefront on implementation of modern DNA sequencing technology for pathogen surveillance and source tracking. The project will provide a scientific and legal basis for enabling use of whole genome sequencing (WGS) technology to control foodborne pathogens. PathoSeq will focus on Listeria monocytogenes (Lm), the most important pathogenic challenge for Norwegian industry. We will build a genomic database giving an overview of the origin, diversity and distribution of Lm in the Norwegian food industry, and across different food chains. We will test the potential of metagenomic sequencing based methods for faster and more sensitive detection of Lm, investigate how WGS can give added value through information about virulence and persistence traits and clarify practical and legislative barriers for implementation of WGS in the food industry. A transdisciplinary and multi-actor approach will be used to produce and translate science into practical recommendations for the food industry. This project will, through revealing and removing barriers (biological, technical, legal and other regulatory issues) for implementation of WGS, prepare the Norwegian food industry for the ongoing revolution within sequencing, transparency and global digital surveillance systems. By building competence and resolve conflicts of interest between different stakeholders, it will be easier to prevent foodborne outbreaks, thus decrease health burden and economic losses both for the public health system and food companies. Furthermore, a more sustainable food production will be achieved through reduced food waste due to recalls and consumer mistrust.