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17.3B: Verwendung von Gesamtgenomsequenzen von Modellorganismen - Biologie

17.3B: Verwendung von Gesamtgenomsequenzen von Modellorganismen - Biologie



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Die Sequenzierung von Genomen von Modellorganismen ermöglicht es Wissenschaftlern, homologe Proteine ​​in komplexeren Eukaryoten wie dem Menschen zu untersuchen.

Lernziele

  • Beschreiben Sie die Modellorganismen, die bei der Sequenzierung des gesamten Genoms verwendet werden

Wichtige Punkte

  • Das erste Genom, das vollständig sequenziert wurde, war das bakterielle Virus Bakteriophage fx174 mit 5368 Basenpaaren.
  • Wissenschaftler nutzen die Genomsequenzierung von Modellorganismen, um homologe Proteine ​​zu untersuchen und evolutionäre Beziehungen herzustellen.
  • Genom-Annotation ist der Prozess, bei dem biologische Informationen an Gensequenzen angehängt werden, die mithilfe der Sequenzierung des gesamten Genoms identifiziert wurden.
  • Modellorganismen sind die Fruchtfliege (Drosophila melanogaster), Brauhefe (Saccharomyces cerevisiae), der Nematode, Caenorhabditis elegans, und die Maus (Muskulatur).

Schlüsselbegriffe

  • Genom-Annotation: der Prozess des Anhängens biologischer Informationen an Gensequenzen.
  • Modellorganismus: jeder Organismus (z. B. die Fruchtfliege), der als Beispiel für viele andere ausgiebig untersucht wurde und aus dem allgemeine Prinzipien abgeleitet werden können

Verwendung von Gesamtgenomsequenzen von Modellorganismen

Das erste vollständig sequenzierte Genom stammte von einem bakteriellen Virus, dem Bakteriophagen fx174 (5368 Basenpaare). Dies wurde von Fred Sanger mit Shotgun Sequencing erreicht. Mehrere andere Organellen- und Virusgenome wurden später sequenziert. Der erste Organismus, dessen Genom sequenziert wurde, war das Bakterium Haemophilus influenzae, die in den 1980er Jahren von Craig Venter durchgeführt wurde. Etwa 74 verschiedene Labors arbeiteten an der Sequenzierung des Genoms der Hefe Saccharomyces cerevisiae, das 1989 begann und 1996 abgeschlossen wurde. Es dauerte so lange, weil es 60-mal größer war als jedes andere Genom, das zu diesem Zeitpunkt sequenziert wurde. Bis 1997 lagen die Genomsequenzen zweier wichtiger Modellorganismen vor: des Bakteriums Escherichia coli K12 und die Hefe Saccharomyces cerevisiae. Genome anderer Modellorganismen wie der Maus Muskulatur, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, der Nematode Caenorhabditis elegans, und der Mensch Homo sapiens sind mittlerweile bekannt. Viele Grundlagenforschung wird mit Modellorganismen betrieben, weil die Informationen auf die biologischen Prozesse genetisch ähnlicher Organismen angewendet werden können. Die Sequenzierung ganzer Genome unterstützt diese Forschungsbemühungen.

Der Vorgang, biologische Informationen an Gensequenzen anzuhängen, wird Genom-Annotation genannt. Annotation hilft Forschern bei grundlegenden Experimenten in der Molekularbiologie, wie zum Beispiel beim Entwerfen von PCR-Primern und RNA-Targets.

Die Sequenzierung von Genomen ermöglicht es Wissenschaftlern, homologe Proteine ​​zu identifizieren und evolutionäre Beziehungen herzustellen. Wenn ein neu entdecktes Protein außerdem homolog zu einem bekannten Protein ist, können Wissenschaftler durch Homologie eine fundierte Vermutung darüber anstellen, wie das neue Protein funktioniert.

Eukaryoten sind Organismen, die Zellen enthalten, die komplexe Organellen innerhalb einer wohldefinierten Zellmembran einschließen. Das definierende Merkmal, das Eukaryoten und Prokaryoten voneinander unterscheidet, ist der Kern oder die Kernhülle der Eukaryoten, in der die genetische Information eines Organismus enthalten ist. Das erste eukaryotische Genom, das sequenziert wurde, war das von S. cerevisiae, das ist die Hefe, die zum Backen und Brauen verwendet wird. Es ist der am meisten untersuchte eukaryotische Modellorganismus in der Molekular- und Zellbiologie, ähnlich wie E coliRolle bei der Erforschung prokaryotischer Organismen. Die Erforschung vieler Proteine, die für den Menschen wichtig sind, erfolgt durch die Untersuchung ihrer Homologen in Hefen. Mithilfe des Hefegenoms wurden beispielsweise Signalproteine ​​und proteinverarbeitende Enzyme entdeckt.


Forscher für die Sequenzierung des gesamten Genoms

Nachfolgend finden Sie Biografien der CFSAN-Forscher, die Teil des Food Whole Genom Sequencing Program der FDA sind.

Forschende Wissenschaftler

Marc Allard, Ph.D.
Forschungsbereichskoordinatorin für Genomik
[email protected]

Marc W. Allard erhielt seinen Ph.D. in Biologie im Jahr 1990 von der Harvard University, Cambridge, MA. Dr. Allard war von 1994 bis 2008 14 Jahre lang Louis Weintraub Associate Professor für Biologie (und Genetik) an der George Washington University (Washington, DC). Forensic Science Research Unit (CTFSRU) und in der Chem Bio Sciences Unit (CBSU) für 8 Jahre, wo er bei den Anthrax-Untersuchungen und der Humangenetik-Datenbank assistierte. Dr. Allard trat im November 2008 dem Office of Regulatory Science und der Abteilung für Mikrobiologie der FDA bei und verwendet DNA-Sequenzinformationen aus den Genomen von lebensmittelbedingten Krankheitserregern, um einzigartige Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs), SAAPs und ganze Proteine ​​zu identifizieren, um die verschiedenen schnell zu identifizieren Bakterienstämme, insbesondere Salmonellen, E coli, Shigella und Listerien. Dr. Allard ist sowohl auf phylogenetische Analyse- und Bioinformatikmethoden als auch auf Nasslabormethoden spezialisiert, die diese genetischen Informationen generieren.

Uma Babu, Ph.D.
Forschungsbiologe

[email protected]

Dr. Uma Babu erhielt ihren Ph.D. in Ernährungswissenschaften von der University of Maryland, College Park. Sie kam 1991 als Senior Staff Fellow in der Abteilung für Ernährung zu CFSAN und wurde 1993 Forschungsbiologin in der Abteilung für Wissenschaft und Angewandte Technologie, Office of Special Nutritionals. 1998 trat sie in die Abteilung Immunbiologie der Abteilung für Virulenzbewertung ein im Amt für angewandte Forschung und Sicherheitsbewertung (OARSA). Sie ist Teil eines Teams, das mit der Entwicklung von Kulturmethoden zur Identifizierung von Campylobacter und Arcobacter Arten aus der landwirtschaftlichen Umgebung und verzehrfertige Nutzpflanzen. Diese Bakterienisolate werden von WGS zur Quellenzuordnung und Aufnahme in die GenomeTrakr-Datenbank sequenziert.

Kannan Balan, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dr. Kannan Balan erhielt seinen Ph.D. in Biologie von der Howard University. Nach seiner Postdoc-Ausbildung an der Brown University hatte er Forschungsaufenthalte an der University of Miami und der Case Western Reserve University inne. Dr. Balan kam 2009 als Commissioner's Fellow zur FDA und forschte in der Immunbiology Branch des Office of Applied Research and Safety Assessment (OARSA). Derzeit entwickelt er Kulturmethoden zum Nachweis von Campylobacter und Arcobacter Arten aus der landwirtschaftlichen Umgebung und verzehrfertige Nutzpflanzen und führt die Sequenzierung des gesamten Genoms auf Campylobacter und Arcobacter Isolate aus Überwachungsproben zur Bestimmung der Quellenzuordnung und zur Aufnahme in die GenomeTrakr-Datenbank.

Rebecca Bell, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe
[email protected]

Dr. Rebecca Bell ist Forschungsmikrobiologin in der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung innerhalb der Abteilung für Mikrobiologie am Zentrum für Lebensmittelsicherheit und angewandte Ernährung der Food and Drug Administration. Dr. Bell erhielt ihren Ph.D. in Mikrobiologie von der Ohio State University im Jahr 2005. Danach kam sie 2006 als Postdoktorandin bei CFSAN in die Abteilung für Analytische Chemie, wo sie an bakteriellen Proteinprofilen mittels Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie arbeitete. 2008 wechselte Dr. Bell zum MMSB. Sie arbeitet weiterhin mit dem DAC an LC/MS-Arbeiten sowie an der molekularen Subtypisierung von Salmonella enterica, die Entwicklung von schnellen Screening-Methoden für Salmonellen Kontamination von Lebensmitteln und ökologische Überwachung der Tomatenanbauumgebung für Salmonellen.

Rachel Binet, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dr. Rachel Binet ist seit 2009 im Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN) der FDA und arbeitet derzeit als Forschungsmikrobiologin in der Abteilung für mikrobiologische Methodenentwicklung innerhalb der Abteilung für Mikrobiologie. Dr. Binet wurde am Institut Pasteur in Frankreich zur Mikrobiologin ausgebildet und erhielt ihren M.Sc. in Mikrobiologie im Jahr 1994 und ihren Ph.D. in Mikrobiologie im Jahr 1998. Sie begann ihre Karriere mit genetischen Strategien, um die Physiologie verschiedener gramnegativer Bakterien zu erforschen, darunter Escherichia coli, Serratia marcescens, Shigella, und Chlamydien. Bei der FDA konzentriert sich ihre Forschung weiterhin auf mikrobielle Genetik und Physiologie, ergänzt durch Genomik und Metagenomik als Werkzeuge zur Differenzierung und Verbesserung der Ausbeute an Krankheitserregern E coli, Shigella, und Salmonellen aus kontaminierten Lebensmitteln. Dr. Binet ist Experte in Gremien zu Laborbiosicherheit und Arbeitssicherheit mit rekombinanten DNA-Molekülen, Pathogenen und Toxinen bei der FDA sowie zu mikrobiellen Methoden und Pathogenen für CFSAN und für die International Organization for Standardization (ISO).

Eric Brown, Ph.D.
Direktor, Abteilung Mikrobiologie
[email protected]

Dr. Eric W. Brown ist derzeit Direktor der Abteilung für Mikrobiologie im Office of Regulatory Science. Er leitet eine Gruppe von 50 Forschern und unterstützt Wissenschaftler, die an einem Multiparameter-Forschungsprogramm beteiligt sind, um mikrobiologische und molekulargenetische Strategien zum Nachweis, zur Identifizierung und zur Differenzierung bakterieller lebensmittelbedingter Krankheitserreger zu entwickeln und anzuwenden, wie z Salmonellen und Shiga-Toxin produzierend E coli. Seine frühen Arbeiten zum horizontalen Gentransfer zwischen lebensmittelbedingten Krankheitserregern haben dazu beigetragen, die Ätiologie mehrerer neu auftretender Krankheitserreger aufzuklären, darunter viele Salmonellen der Gruppe I sowie enterohämorrhagische und enteropathogene E coli. In jüngerer Zeit war sein Labor maßgeblich an der Anpassung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation beteiligt, um die Untersuchungen von lebensmittelbedingten Ausbrüchen bei der FDA zu verbessern. Dr. Brown erhielt seinen Ph.D. in mikrobieller Genetik vom Genetics Program am Department of Biological Sciences der George Washington University. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Cancer Institute des US-Landwirtschaftsministeriums und als Tenure-Track-Professor für Mikrobiologie an der Loyola University of Chicago forschte er auf dem Gebiet der mikrobiellen Evolution und der mikrobiellen Ökologie. Dr. Brown kam 1999 zur Food and Drug Administration und hat seitdem zahlreiche Experimente zum Nachweis, zur Identifizierung und Unterscheidung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern durchgeführt. Er ist seit 1994 Mitglied der American Society for Microbiology und ist Co-Autor von mehr als 70 Publikationen und Buchkapiteln zur molekularen Differenzierung und molekularen Evolution bakterieller Pathogene. Sein Hauptforschungsinteresse besteht derzeit darin, die Rolle der Genomsequenzierung der nächsten Generation bei der Auflösung lebensmittelbedingter Ausbrüche zu untersuchen und weiterhin eine Vielzahl von Methoden einzusetzen, die eine schnelle und empfindliche Identifizierung von Darmpathogenen aus der Lebensmittelversorgung ermöglichen.

Laurel Burall, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dr. Laurel Burall ist Forschungsmikrobiologin im Büro für angewandte Forschung und Sicherheitsbewertung von CFSAN. Sie erhielt ihren Ph.D. in Mikrobiologie und Immunologie vom Department of Microbiology and Immunology der University of Maryland im Jahr 2004 und kam 2007 zur FDA, zunächst als ORISE Fellow. Ihre Forschung konzentriert sich auf Aspekte der Listeria monocytogenes Überleben in verschiedenen Umgebungen und Lebensmittelmatrizen sowie Methodenentwicklung. Dr. Burall verwendet WGS, um die Belastungsbeständigkeit von zu bewerten L. monocytogenes in verschiedenen natürlichen Umgebungen, insbesondere was den Bauernhof und die frischen Produkte betrifft. Sie verwendet die WGS-Analyse, um phylogenetische Gruppen zu untersuchen, die mit einer erhöhten Persistenz oder mit vorübergehenderen Stämmen in Verbindung gebracht werden können. Sie arbeitet auch an einer Methode zur schnellen Subtypisierung L. monocytogenes in unterschiedliche, breite phylogenetische Gruppen, bevor ein Isolat sequenziert wird, was die schnelle Klassifizierung des Organismus unterstützt.

Yi Chen, Ph.D.
Mitarbeiter
[email protected]

Dr. Yi Chen ist Forschungsmikrobiologin und Listeria monocytogenes Fachexperte in der Abteilung für Mikrobiologie von CFSAN. Er hat schnelle Screening-Methoden entwickelt, verglichen und evaluiert L. monocytogenes in Lebensmittel- und Umweltmatrices und leiteten und arbeiteten an Bemühungen zur Validierung qualitativer und quantitativer Testmethoden für den Organismus. Dr. Chen hat das Verhalten von L. monocytogenes in verschiedenen Lebensmittelmatrizes, um das relative Risiko von L. monocytogenes Verunreinigungen in diesen Lebensmitteln. Er ist auch Experte für die Sequenzanalyse des gesamten Genoms von L. monocytogenes, nach der Analyse von Stämmen, die während der regulären FDA-Überwachung und Ausbruchsreaktion isoliert wurden. Seine Arbeit hat das Verständnis der Epidemiologie und der ökologischen Persistenz dieses Erregers verbessert. Er hat bei verschiedenen FDA-Aufträgen, Ausbruchsuntersuchungen und Laboranalysen wissenschaftliche Beratung geleistet. Darüber hinaus hat Dr. Chen an der Methodenvalidierung und genetischen Charakterisierung von Cronobacter spp. Dr. Chen erhielt seinen Ph.D. in Lebensmittelwissenschaften vom Department of Food Science der Pennsylvania State University im Jahr 2007. Derzeit ist er Mitglied des Microbial Method Validation Subcommittee der FDA, General Referee für AOAC International, Technical Committee Mitglied von MicroVal und Editorial Board Member für Applied and Environmental Mikrobiologie.

Hediye Nese Cinar, M.D.
Forschungsbiologe

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Dr. Hediye Nese Cinar ist Forschungsbiologin im Parasitologie-Team innerhalb der Abteilung für Virulenzbewertung des FDA-Zentrums für Lebensmittelsicherheit und angewandte Ernährung. Ihre Forschungsschwerpunkte sind: Untersuchung bakterieller Virulenzmechanismen und Immunantworten am Modellorganismus Caenorhabditis elegans Schwermetallnachweis und genomweite Reaktionen auf Schwermetalle in C. elegans und Entwicklungsgenetik und Neurobiologie der Nervenregeneration. Seit Januar 2014 leitet Dr. Cinar ein Projekt zur Untersuchung des Einsatzes von Whole Genom Sequencing zur epidemiologischen Untersuchung von Krankheitsausbrüchen mit dem lebensmittelbedingten Parasiten Cyclospora cayetanensis.

Christina Ferreira
ORISE Fellow
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Christina Ferreira ist Molekularmikrobiologin in der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung der Abteilung für Mikrobiologie. 2008 schloss sie ihr Studium an der Clarion University of Pennsylvania mit einem Bachelor of Science in Molekularbiologie und Biotechnologie ab. Bei der FDA-CFSAN konzentriert sich ihre Arbeit hauptsächlich auf die Entwicklung eines auf Massenspektrometrie basierenden Assays zur schnellen Identifizierung von Salmonellen Arten in Lebensmitteln. Sie arbeitet auch an der Validierung zusammengesetzter Genome durch Vergleiche mit (optischen) Karten des gesamten Genoms, Analyse der Evolution von S. enterica Typhimurium in den letzten 70 Jahren und eine Untersuchung von SNP-Variationen in klinischen STEC-Stämmen.

Solomon Gebru, Ph.D.
Mitarbeiter

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Dr. Solomon Gebru ist Mitarbeiter in der Abteilung für Molekulare Genetik der Abteilung für Molekularbiologie im Büro für angewandte Forschung und Sicherheitsbewertung von CFSAN. Dr. Gebru erhielt seinen Ph.D. in Molekularbiologie von der Howard University im Jahr 2006. Er kam 2007 als Auftragnehmer für Molekularbiologe zur FDA und entwickelte Rapid Salmonellen und E coli Subtypisierungsmethoden einschließlich Multi-Locus-Variable-Tandem-Repeats (MLVA)-Ansätze und geclusterte, regelmäßig angeordnete kurze palindromische Wiederholungen (CRISPR). Er arbeitet mit dem Center of Veterinary Medicine der FDA zusammen, um die Eignung von Impulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE), amplifiziertem Fragmentlängenpolymorphismus (AFLP), MLVA und CRISPR-Typisierungsansätzen zur Auflösung eng verwandter lebensmittelbedingter Ansätze zu untersuchen E coli und Salmonellen Ausbruchsstämme. Derzeit arbeitet er an der Sequenzanalyse des gesamten Genoms von E coli Stämme von der Penn State University und den Sammlungen des Food Safety and Inspection Service des USDA sowie von Pilzen, die in Lebensmitteln vorkommen.

Narjol Gonzalez-Escalona, ​​Ph.D.
Forschungsmikrobiologe
[email protected]

Dr. Gonzalez-Escalona ist Forschungsmikrobiologe in der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung in der Abteilung für Mikrobiologie des FDA-Zentrums für Lebensmittelsicherheit und angewandte Ernährung. Seine Forschungsinteressen umfassen die Ökologie und Evolution mariner Bakterien, insbesondere der Gattung Vibrio. Weitere Forschungsinteressen sind Tracking, Subtyping, Evolution, vergleichende Genomik und die Identifizierung neuer Pathogenitätsziele von lebensmittelbedingten Pathogenen wie z E. coli, Clostridium botulinum, und Salmonellen unter Verwendung von Verfahren zur Sequenzierung des gesamten Genoms. Er hat neue Methoden entwickelt, um Salmonellen im produzieren, S. Enteritidis und S. Heidelberg in Eiprodukten und alternative Methoden für Salmonellen Subtypisierung. Er ist Mitglied von IAFP und ASM und ist Kurator der MLST-Website für V. parahaemolyticus. Dr. Gonzalez-Escalona erhielt seinen Ph.D. von der University of Chile im Jahr 2004 und absolvierte eine weitere Postdoc-Ausbildung am Gulf Coast Seafood Laboratory (GCSL), FDA, Dauphin Island, AL.

Christopher J. Grim, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

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Dr. Grim erhielt seinen B.S. in Meeresbiologie von der University of Miami und seinen Ph.D. in Umweltmolekularbiologie von der University of Maryland, College Park. Dr. Grim trat der FDA im Jahr 2016 bei. Seine Forschung konzentriert sich auf fortschrittliche molekulare Nachweisstrategien, wie die Sequenzierung des gesamten Genoms, die Subtypisierung von Pathogenen und vergleichende Genomik sowie metagenomische Ansätze für komplexe Herausforderungen der Lebensmittelsicherheit.

Julie Haendiges ist Biologin in der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung in der Abteilung für Mikrobiologie des FDA Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN). Sie hat ihren Master in Biotechnologie an der UMBC gemacht. Zuvor war sie Leiterin des Kernsequenzierungslabors am Maryland Department of Health, wo sie sich auf die Sequenzierung von lebensmittelbedingten bakteriellen Krankheitserregern und Viren konzentrierte. Bei CFSAN konzentriert sich ihre Forschung auf funktionelle Genomik, präventive Kontrollen von Salmonella enterica, und Verwendung der Long-Read-Sequenzierungstechnologie für die Transkriptomik.

Kelli L. Hiett, Ph.D.
Direktor, Abteilung Virulenzbewertung

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Dr. Kelli L. Hiett ist Direktorin der Abteilung Virulenzbewertung im Office Applied Research and Safety Assessment (OARSA), CFSAN. Dr. Hiett erhielt ihren M.S. in der Molekulargenetik, Untersuchung der Operonstruktur im Pilzmodellorganismus, Neurospora krasse, und Krankheitserreger, Aspergillus Nidulans. Sie erhielt ihren Ph.D. in Infektionskrankheiten von der School of Veterinary Medicine der University of Georgia, wo sie molekulare Mechanismen untersuchte, die an der Besiedlung von Campylobacter spp. bei Geflügel. Dr. Hiett forschte weiter an dem Zoonoseerreger, Campylobacter spp. als leitender Wissenschaftler beim Agricultural Research Service des US-Landwirtschaftsministeriums. Dr. Hiett kam 2017 zur FDA und hat seitdem ein Team gebildet, um Kultur- und Molekularmethoden zur Gewinnung und zum Nachweis zu entwickeln Campylobacter und Arcobacter Arten aus der landwirtschaftlichen Umgebung und verzehrfertige Nutzpflanzen. Campylobacter und Arcobacter Isolate aus Überwachungsproben werden durch Sequenzierung des gesamten Genoms zur Quellenzuordnung und Aufnahme in die GenomeTrakr-Datenbank identifiziert.

Maria Hoffmann, Ph.D.
Gastwissenschaftler
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Die Doktorarbeit von Dr. Hoffmann wurde an der U.S. Food and Drug Administration in College Park, Maryland, unter der Leitung von Dr. Eric Brown durchgeführt und konzentrierte sich auf die molekulare Evolution und Speziation der Gattung Vibrio. Sie hat ihren Ph.D. Arbeit im Juli 2012 an der Universität Hamburg. Derzeit führt sie Analysen durch, um Daten zur Differenzierung und Charakterisierung von Krankheitserregern zu gewinnen, insbesondere Ausbruchsisolaten von nicht ausgebrochenen Isolaten und eng verwandten antibiotikaresistenten Salmonellen Arten mithilfe von Whole Genome Sequencing (WGS) und vergleichenden Genomanalysen. Weitere Nutzung der Pacific Biosciences (PacBio) RS Sequencer und ihrem hierarchischen Genom-Assembly-Prozess (HGAP) sequenzieren wir verschiedene Krankheitserreger, um Referenzgenome vollständig zu schließen, was die Pilotstudien zum Testen der Anwendbarkeit von WGS bei Aktivitäten zur Überwachung der öffentlichen Gesundheit unterstützen wird.

Hyein Jang, Ph.D.
ORISE Fellow

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Dr. Jang ist ORISE Fellow in der Virulence Mechanisms Branch innerhalb der Division of Virulence Assessment bei CFSAN. Sie hat einen Ph.D. in Lebensmittelwissenschaften von Rutgers, State University of New Jersey im Jahr 2017, wo sie die mikrobielle Sicherheit von Frischprodukten untersuchte, insbesondere die molekularen Wechselwirkungen und das Überleben von Krankheitserregern E coli auf Pflanzen und Blattgemüse. Seit sie im selben Jahr zur FDA kam, hat sie die Sequenzierung des gesamten Genoms durchgeführt, um genotypische und phänotypische Merkmale von Cronobacter und Salmonellen um ihre Virulenzmerkmale, genomische Diversität und phylogenetische Verwandtschaft als Teil von GenomeTrakr besser zu verstehen. Dr. Jang führt derzeit transkriptomische Analysen von Cronobacter unter Stress gezüchtete Persistenzzellen und Entwicklung einer Isolations- und Nachweismethode für Cronobacter Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs.

Karen Jarvis
Forschungsmikrobiologe

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Julie Ann Kase, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

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Julie Ann Kase ist wissenschaftliche Mikrobiologin in der Abteilung für mikrobielle Methodenentwicklung in der Abteilung für Mikrobiologie des FDA Center for Food Safety and Applied Nutrition. Dr. Kase kam 2008 zur FDA und etablierte sich schnell als Fachexpertin der Behörde für die Herstellung von Shiga-Toxinen E coli (STEC) und Brucella spp. Sie hat über 25 Jahre am Labortisch verbracht, wo sie als pharmazeutische Chemikerin, Gesundheitswissenschaftlerin und Lebensmittelmikrobiologin tätig war, und hat Dutzende von Peer-Review-Publikationen und Buchkapiteln verfasst. Ihre Forschungsaktivitäten betrafen die Übertragung und den Nachweis von Infektionserregern in der Umwelt, die mikrobiozide Wirksamkeit chemischer Desinfektionsmittel sowie Methoden zur Kultivierung und Identifizierung pathogener STEC und Brucella spp. aus verschiedenen Matrizen. Ein Großteil ihrer aktuellen Arbeiten nutzt die Leistungsfähigkeit der Nukleinsäuresequenzierung entweder für eine spezifischere Charakterisierung von STEC oder die Verfeinerung klassischer bakteriologischer Kulturmethoden. Dr. Kase hat in zahlreichen Ausschüssen mitgewirkt, darunter dem National Advisory Committee on Microbiological Criteria for Foods (NACMCF), dem FDA Bacteriological Analytical Manual (BAM) Council, dem ILSI North America Committee on Food Microbiology, und ist derzeit Vorsitzender des FDA STEC Beirat.

Susan R. Leonard, Ph.D.
Forschungsbiologe

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Dr. Susan Leonard ist Forschungsbiologin in der Abteilung für Molekularbiologie des CFSAN Office of Applied Research and Safety Assessment. Ihre Forschungsinteressen umfassen die Verwendung von Shotgun-Metagenom-Sequenzierung zum Nachweis und zur genomischen Charakterisierung von Shiga-Toxin-produzierenden Escherichia coli (STEC) in Lebensmittelproben, die Charakterisierung von E coli Populationen in Umweltproben und zur Bewertung von Faktoren, die die STEC-Kontamination oder das Überleben während der Produktion und Lagerung von Frischprodukten beeinflussen. Darüber hinaus umfassen ihre Projekte vergleichende Analysen der gesamten Genomsequenz von STEC-Isolaten sowie anderen lebensmittelbedingten Krankheitserregern. Sie erhielt ihren Ph.D. in Molekularer Mikrobiologie und Immunologie von der University of Maryland, Baltimore.

Sara Lomonaco, Ph.D.
ORISE Fellow
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Dumitru Macarisin, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dumitru Macarisin ist Forschungsmikrobiologe in der Abteilung für Mikrobiologie des FDA Center for Food Safety and Applied. Er ist Fachexperte für Listeria monocytogenes und leitet die Entwicklung und Durchführung von Forschungsprojekten der FDA im Zusammenhang mit der mikrobiellen Sicherheit von frischem Obst und Gemüse. Dumitru erwarb seinen Ph.D. in Pflanzenphysiologie und Biochemie im Jahr 2003 und verfolgte weitere Postdoc-Forschungen in der Agricultural Research Organization am Volcani Center in Israel. Danach folgte eine 8-jährige Forschungstätigkeit beim Agricultural Research Service des US-Landwirtschaftsministeriums, wo er umfangreiche Forschungen in den Bereichen Nacherntepathologie und Biokontrolle, Pflanzenstressreaktion, Produktsicherheit, Mikrobiologie, Parasitologie und öffentliche Gesundheit durchführte. Dumitru kam 2013 zur FDA, wo sich seine aktuelle Forschung auf das Verständnis der Routen/Mechanismen der Kontamination von Frischprodukten und Umweltreservoirs von lebensmittelbedingten Krankheitserregern konzentriert und Strategien zur Eindämmung der guten landwirtschaftlichen Praxis zur Prävention von Produktrückrufen und lebensmittelbedingten Ausbrüchen entwickelt. Er hat die FDA auf nationaler und internationaler Ebene in kritischen Fragen der Lebensmittelsicherheit vertreten und Empfehlungen zu vorbeugenden Kontrollen, Umweltüberwachung und Verbesserungen der Qualitätskontrolle für Regierungsbehörden und die Lebensmittelindustrie abgegeben.

Andrea Ottesen, Ph.D.
Forschungsbereichskoordinator für Metagenomik
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Dr. Andrea Ottesen ist Research Area Coordinator (RAC) für Metagenomics am Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN) der FDA in der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung (MMSB) der Abteilung für Mikrobiologie. Sie erhielt ihren Ph.D. im Jahr 2000 von der University of Maryland. Ottesen arbeitet daran, metagenomische Ziel- und Nichtzieldaten bereitzustellen, um Ökologien zu beschreiben, die mit Hochrisikopflanzen verbunden sind. Ihre ökologischen Daten werden zur Ergänzung und Verbesserung verwendet Salmonellen Nachweismethoden und Bereitstellung von Daten zur Verbesserung der Empfehlungen für gute landwirtschaftliche Praktiken (GAPs).

Isha Patel
Forschungsbiologe

[email protected]

Isha Patel ist Forschungsbiologin im Office of Applied Research and Safety Assessment des CFSAN. Ihre Forschung konzentriert sich auf den Einsatz von Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation zum Nachweis und zur Charakterisierung von kommensalen Bakterien sowie lebensmittelbedingten Krankheitserregern. Sie hat einen M.Sc. in Mikrobiologie aus Indien und absolvierte ein weiteres Aufbaustudium an der University of Maryland, wo sie einen M.S. Abschluss in Mikrobiologie.

Lisa Harrison Plemons, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dr. Lisa Plemons erhielt ihren Ph.D. in medizinischen Wissenschaften von der Abteilung für medizinische Mikrobiologie und Immunologie der Texas A&M University im Jahr 2004. Nach einer Postdoc-Ausbildung an der University of Maryland, Baltimore (2004-2009), trat sie der Abteilung Immunbiologie der Abteilung für Virulenzbewertung im Office of Applied Research bei und Sicherheitsbewertung als Staff Fellow. Derzeit ist Dr. Plemons Forschungsmikrobiologe in der Abteilung Immunbiologie und arbeitet mit einem Team an der Entwicklung von Kulturmethoden zum Nachweis von Campylobacter und Arcobacter Arten aus der landwirtschaftlichen Umgebung und verzehrfertige Nutzpflanzen. Campylobacter und Arcobacter Isolate aus Überwachungsproben werden durch Sequenzierung des gesamten Genoms zur Quellenzuordnung und Aufnahme in die GenomeTrakr-Datenbank identifiziert.

Shashi Sharma, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe
[email protected]

Ben Tall, Ph.D.
Stellvertretender Abteilungsleiter, Abteilung Virulenzmechanismen

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Dr. Ben Tall ist derzeit stellvertretender Abteilungsleiter der Abteilung Virulenzmechanismen in der Abteilung für Virulenzbewertung des Office of Applied Research and Safety Assessment. Er leitet eine Gruppe von Forschern und unterstützt Wissenschaftler, die an einem Forschungsprogramm beteiligt sind, das sich auf die Entwicklung mikrobiologischer und molekulargenetischer Ansätze zum Nachweis, zur Identifizierung und zur Differenzierung bakterieller lebensmittelbedingter Krankheitserreger konzentriert, wie z Salmonellen, Cronobacter, Bacillus cereus, marine Vibrationen, und Listerien spp. Seine frühen Arbeiten zur Entwicklung von Impfstoffen für Vibrio cholerae, Salmonellen typhi, Shigella spp. und enteropathogene E coli wurde am Center for Vaccine Development der University of Maryland School of Medicine durchgeführt. In jüngerer Zeit war sein Labor maßgeblich an der Anpassung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation beteiligt, um die Untersuchungen zu lebensmittelbedingten Krankheiten der FDA zu verbessern, die Folgendes umfassen: Cronobacter und mehrere Serovare von Salmonella enteritidis. Dr. Tall erhielt seinen Ph.D. in Mikrobiologie vom Department of Microbiology, University of Maryland Dental School im Jahr 1988. Dr. Tall kam 1990 zur FDA und hat seitdem zahlreiche Studien zum Nachweis, zur Identifizierung und Charakterisierung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern durchgeführt. Er ist seit 1977 Mitglied der American Society for Microbiology und ist Co-Autor von mehr als 130 Publikationen und Buchkapiteln zum molekularen Nachweis, der Identifizierung und Charakterisierung von lebensmittelbedingten bakteriellen Krankheitserregern. Seine Hauptforschungsinteressen liegen derzeit in der Anwendung der Genomsequenzierung der nächsten Generation zur Charakterisierung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern und der Anwendung einer Vielzahl von Methoden, die eine schnelle und empfindliche Identifizierung von enterischen lebensmittelbedingten Krankheitserregern ermöglichen, was eine Voraussetzung für die Entwicklung zukünftiger Gegenmaßnahmen gegen diese Krankheitserreger ist .

Sandra M.Tallent, Ph.D.
Leiter, Abteilung Molekulare Methoden und Subtypisierung
[email protected]

Sandra Tallent ist Leiterin der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung innerhalb der Abteilung für Mikrobiologie des FDA-Zentrums für Lebensmittelsicherheit und angewandte Ernährung. Dr. Tallent begann ihre Karriere als klinische Mikrobiologin, aber die anhaltenden Herausforderungen der Antibiotikaresistenz veranlassten sie, ihren beruflichen Schwerpunkt auf die Forschung im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu verlagern. Sie erwarb ihren Ph.D. vom Medical College of Virginia in Richmond vor der Auswahl als CDC Emerging Infectious Disease Research Fellow bei Virginias Division of Consolidated Laboratory Services. Dr. Tallent nahm 2008 eine Stelle bei der FDA an, wo sich ihre Forschung weiterhin auf Virulenz und Pathogenität von Staphylococcus aureus, sondern beinhaltet auch zahlreiche Experimente zu Bacillus cereus. Als Forschungsmikrobiologe hat Dr. Tallent neue Protokolle validiert, um die FDA zu aktualisieren Bakteriologisches analytisches Handbuch. Derzeit entwickelt sie neue Methoden, die auf genomischen Sequenzinformationen basieren.

Carmen Tartera, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe

[email protected]

Dr. Carmen Tartera erhielt ihren Ph.D. in Mikrobiologie an der Universität Barcelona, ​​Spanien. 2009 wechselte sie in die Abteilung für Molekularbiologie am Zentrum für Lebensmittelsicherheit und Angewandte Ernährung. Derzeit leitet sie eine Studie zur Untersuchung von Lebensmitteln, die mit lebenden Mikroben ergänzt werden. Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, Verfälschungen in diesen in den USA verkauften Produkten mithilfe der WGS-Analyse durch Metagenomik zu identifizieren.

Ruth Timme, Ph.D.
Forschungsmikrobiologe
[email protected]

Ruth Timme ist Forschungsmikrobiologin beim Office of Regulatory Science der FDA. Sie erhielt ihren Ph.D. 2006 in Pflanzenbiologie an der University of Texas at Austin. Ihr Forschungshintergrund konzentriert sich hauptsächlich auf die Verwendung von Methoden der vergleichenden Genomik und Phylogenetik, um evolutionäre Fragen zu beantworten. Obwohl sie in Botanik ausgebildet ist, umfasst ihre veröffentlichte Forschung eine Vielzahl von Organismen, einschließlich Sonnenblumen (Helianthus), Dinoflagellaten, Charophyte-Grünalgen und Salmonellen. Bei der FDA implementiert sie phylogenomische Methoden zur Verfolgung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern durch die US-Lebensmittelversorgung.

Zhihui Yang, M. D.
Forschungsbiologe

[email protected]

Dr. Yang kam 2012 zu CFSAN und ist derzeit Forschungsbiologe im Team für Molekulare Virologie in der Abteilung für Molekularbiologie des Office of Applied Research and Safety Assessment. Ihre Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Anwendung genomischer molekularbiologischer Techniken (Next-Generation-Sequenzierung) zum Nachweis und zur weiteren Identifizierung/Genotypisierung von epidemiologisch wichtigen lebensmittelbedingten Viren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Norovirus-Hepatitis A und neu auftretende Virusarten. Ihre Forschungsinteressen umfassen außerdem: Entwicklung neuartiger Sequenzierungsmethoden für die Viruserkennung und -analyse und die Anwendung dieser Methoden auf Fragen der Virusübertragung in Lebensmitteln, klinischen und Umweltproben sowie die Erforschung des Viroms durch einen metagenomischen Ansatz.

Jie Zheng, Ph.D.
Mitarbeiter
[email protected]

Dr. Jie Zheng ist derzeit als angestellter Mikrobiologe der Abteilung für Molekulare Methoden und Subtypisierung innerhalb der Abteilung für Mikrobiologie tätig. Dr. Zheng hat ihren Ph.D. in Lebensmittelwissenschaften von der University of Maryland at College Park, MD im Jahr 2006 und ihre Dissertation über "Campylobacter jejni/coli – Host Intestinal Epithelial Cell Interaction". Dr. Zheng joined the laboratories at the Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN) in July of 2008 after her two-year post-doctoral training at UM. She is interested in development of SNP-based detection, identification and subtyping methods for various phyletic and pathovar divisions of pathogenic Salmonellen. She is also engaged in reducing carriage of Salmonellen Newport on tomato plants with bio-control intervention method.

Genomics Coordinators

Phillip Curry, Ph.D.
Research Microbiologist, PulseNet Team
[email protected]

David Melka
Research Microbiologist, PulseNet Team
[email protected]

Eric Stevens, Ph.D.
Commissioner’s Fellow
[email protected]

Statistics and Bioinformatics

Joe Baugher
ORISE Fellow
[email protected]

Jayanthi Gangiredla is a biologist in FDA’s Office of Applied Research and Safety Assessment and has been working its Division of Molecular Biology’s Molecular Genetics Branch since 2008. With an M.S. degree in biochemistry and an M.S. in bioinformatics, she uses bioinformatics to compare the genomics of foodborne pathogens. She is involved with several metagenomics and metatranscriptomics projects that require extensive analysis of microbial populations from both the gut and the environment and conducts functional profiling of microbes in community-wide studies. She provides key bioinformatic analyses for the beneficial microbiome project, analyzing whole genome sequences of Gram positive, commensal, food, and probiotic bacteria associated with dietary supplements.

Gopal R. Gopinath, Ph.D.
Geneticist
[email protected]

Dr. Gopal Gopinath is a geneticist in CFSAN’s Office of Applied Research and Safety Assessment. His research focuses on genomics and bioinformatics of foodborne parasites like Cyclospora cayetanensis, and bacterial pathogens including Cronobacter spp., Salmonella spp., and Bacillus cereus. Dr. Gopinath was one of the earliest members of GenomeTrakr team at OARSA. As part of the Parasitology Team, Dr. Gopinath is working on consolidating parasite genomics efforts as part of CycloTrakr, a component BioProject of GenomeTrakr, dedicated for foodborne parasites. As part of this project, he has started to implement bioinformatic workflows developed for the Parasitology Team on CFSAN’s GalaxyTrakr platform. Dr. Gopinath graduated with a doctorate in biotechnology from the Center for Biotechnology, Anna University, Chennai, India in 1999. After completing postdoctoral fellowships at Brandeis University and the University of California, Berkeley (2001), he left laboratory research for a career in bioinformatics and biological databases, first at the Medical College of Wisconsin and later at the Cold Spring Harbor Laboratory in New York. His primary research interests are in comparative genomics, bioinformatics, data mining, and the use of next generation sequencing technology to obtain an “-omic” perspective of research questions in food safety.

David W. Lacher, Ph.D.
Research Microbiologist

[email protected]

Dr. Lacher is a research microbiologist in the Division of Molecular Biology, within CFSAN’s Office of Applied Research and Safety Assessment. His research interests include the evolutionary genetics of virulence and the molecular subtyping of bacterial pathogens. He is currently examining the genetic diversity present within Escherichia coli und Shigella spp. through the use of whole genome sequence analyses.

Yan Luo
Staff Fellow
[email protected]

Mark K. Mammel
Research Microbiologist

[email protected]

Mark Mammel is a research microbiologist in CFSAN’s Office of Applied Research and Safety Assessment. With an M.S. degree in microbiology and an M.S. in computer science, he uses bioinformatics for comparative genomics of foodborne pathogens. He develops methods for analyzing whole genome shotgun sequencing of metagenomic samples to identify the microbial composition and detect pathogens in food or environmental samples.

John Miller
ORISE Fellow
[email protected]

James B. Pettengill, Ph.D.
Geneticist
[email protected]

Dr. Pettengill uses metagenomic approaches (i.e., the sequencing of DNA contained in an environmental sample) to investigate important agricultural and food safety questions. Specifically, he and other scientists at the FDA have employed metagenomics to describe the effects of different bacterial enrichment procedures and how they might impact our ability to detect specific pathogens. They are also evaluating how different pesticides alter microbial diversity and the prevalence of certain pathogens within the ecosystem.

Arthur Pightling
Geneticist

Hugh Rand, Ph.D.
Supervisory Mathematical Statistician
[email protected]

Hugh Rand is a Team Leader in the Biostatistics Branch at the FDA’s Center for Food Safety and Applied Nutrition. He received his Ph.D. in 1995 in applied mathematics at the University of Washington. His research interests focus on the application of mathematical and statistical tools to the analysis of biological problems, primarily in the area of human health. Much of his early work involved the applications of bioinformatics in drug discovery within inflamation and oncology. Currently, a major focus of his efforts at the FDA are in the use of genomic sequencing for aiding in tracking foodborne pathogens through the U.S. food supply.

Staff Scientists

Maria Balkey
Staff Fellow
Tammy Barnaba
Mikrobiologe
George Kastanis
Mikrobiologe
[email protected]

George Kastanis is part of the genomics team working under the supervision of Dr. Marc Allard. His primary function is to run the MiSeq personal sequencing of various isolates that come through the pipeline.

Sabina Lindley
Mikrobiologe
Anna I. Maounounen-Laasri
Biologist
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Anna I. Maounounen-Laasri received her M.Sc. in biology and chemistry in 1994 from State Pedagogical University, in Saint Petersburg, Russia. Mrs. Maounounen-Laasri served as a teacher and practical adviser for biology, chemistry, and ecology at the Kaskolovka School, in Kingisepp, Russia from 1994 to 2001. In 2010, she joined FDA’s Center for Biologics Evaluation and Research as a volunteer researcher in the Laboratory of Method Development, within the Office of Vaccine Research and Review, where she developed molecular methods for evaluation and identification of viral vaccine strains. In November 2010, she came to FDA’s Center for Food Safety and Applied Nutrition as an ORISE fellow, working in its Division of Microbiology. Mrs. Maounounen-Laasri is currently a biologist in the division, conducting research focused on improvement, validation, and evaluation of culture-based and molecular methods for the detection, typing, and isolation of Salmonellen, Escherichia coli O157:H7, non-O157 Shiga toxin-producing E coli (STEC), and Listeria monocytogenes in food products and environment. She also serves as a microbial strain curator and sample custodian for the division.

Tim Muruvanda
Research Microbiologist
[email protected]

Tim Muruvanda collects and analyzes NGS data from the Pacific Biosciences RS II sequencers. He is primarily focused on generating closed microbial reference genomes to support the applicability of WGS in public health.

Justin Payne
Mikrobiologe
[email protected]

Justin Payne is an integration and bioinformatics developer and the author of "Bootsie", a statistical tool for RFLP analysis. He graduated in 2011 from the University of Nebraska, Lincoln with a Bachelor of Science degree in biochemistry. At FDA-CFSAN, his work is primarily focused on database development, high-throughput assembly of NGS data, and transparent integration with NCBI data stores.


Hintergrund

Rice (Oryza sativa) provides food for more than half of the world’s population [1] and also serves as a model for studies of other monocotyledonous species. Cultivated rice contains two major types of O. sativa, das O. sativa indica/Xian group and the O. sativa japonica/Geng Gruppe. Using genomic markers, two additional minor types have been recognized, the circum-Aus group and the circum-Basmati group [2]. More than 3000 rice varieties and species have been sequenced, including Nipponbare [3], 93–11 [4], DJ 123, IR64 [5], Zhenshan97, Minghui 63 [6], Shuhui498 [7], Oryza glaberrima [8, 2]. The availability of these genomes has laid a strong foundation for basic rice research and breeding [2]. However, the use of these sequenced varieties for functional genomics analyses is limited by their long life cycles or low transformation efficiencies. For example, it takes up to 6 months for Nipponbare to produce seeds under winter conditions. The Indica varieties typically have relatively low transformation efficiencies [9].

The Kitaake cultivar (ssp. japonica), which originated at the northern limit of rice cultivation in Hokkaido, Japan [10], has emerged as a model for rice research [9]. Kitaake is insensitive to day length, easy to propagate, relatively cold tolerant, short in stature and completes its life cycle in about 9 weeks [9, 11]. These properties make it easy to cultivate under typical greenhouse conditions. Kitaake is also highly amenable to transformation [12]. Several hundred genes have been overexpressed or silenced in KitaakeX [12]. The transformation efficiency of Kitaake is comparable to that of that Dongjin, a cultivar that historically transforms well [9]. Kitaake has been used to establish multiple mutant populations, including an RNAi mutant collection [13], T-DNA insertion collections [9, 14], and a whole-genome sequenced mutant population of KitaakeX, a Kitaake variety carrying the Xa21 immune receptor gene (formerly called X.Kitaake) [15, 16]. Kitaake has been used to explore diverse aspects of rice biology, including flowering time [17], disease resistance [18,19,20], small RNA biology [21], and the CRISPR-Cas9 and TALEN technologies [22, 23].

The unavailability of the Kitaake genome sequence has posed an obstacle to the use of Kitaake in rice research. For example, analysis of a fast-neutron (FN) induced mutant population in KitaakeX, a Kitaake plant carrying the rice XA21 gene [15], required the use of Nipponbare (ssp. japonica) as the reference genome. Additionally, CRISPR/Cas9 guide RNAs cannot be accurately designed for Kitaake without a complete sequence. To address these issues, we assembled a high-quality genome sequence of KitaakeX, compared its genome to the genomes of rice varieties Nipponbare and Zhenshan97 (ssp. indica), and identified genomic variations. The XA21 gene confers resistance to the bacterial pathogen, Xanthomonas oryzae pv. oryzae, making KItaakeX a model for studies of infectious disease [16].


Whole-Genome Sequencing

Whole-genome sequencing (WGS) is a comprehensive method for analyzing entire genomes. Genomic information has been instrumental in identifying inherited disorders, characterizing the mutations that drive cancer progression, and tracking disease outbreaks. Rapidly dropping sequencing costs and the ability to produce large volumes of data with today’s sequencers make whole-genome sequencing a powerful tool for genomics research.

While this method is commonly associated with sequencing human genomes, the scalable, flexible nature of next-generation sequencing (NGS) technology makes it equally useful for sequencing any species, such as agriculturally important livestock, plants, or disease-related microbes.

Advantages of Whole-Genome Sequencing

  • Provides a high-resolution, base-by-base view of the genome
  • Captures both large and small variants that might be missed with targeted approaches
  • Identifies potential causative variants for further follow-up studies of gene expression and regulation mechanisms
  • Delivers large volumes of data in a short amount of time to support assembly of novel genomes

An Uncompromised View of the Genome

Unlike focused approaches such as exome sequencing or targeted resequencing, which analyze a limited portion of the genome, whole-genome sequencing delivers a comprehensive view of the entire genome. It is ideal for discovery applications, such as identifying causative variants and novel genome assembly.

Whole-genome sequencing can detect single nucleotide variants, insertions/deletions, copy number changes, and large structural variants. Due to recent technological innovations, the latest genome sequencers can perform whole-genome sequencing more efficiently than ever.

Compare Whole-Genome & Exome Sequencing

Explore the benefits of each approach to determine which method is best for your research.

Key Whole-Genome Sequencing Methods

Large Whole-Genome Sequencing

Sequencing large genomes (> 5 Mb), such as human, plant, or animal genomes, can provide valuable information for disease research and population genetics.

Small Whole-Genome Sequencing

Small genome sequencing (≤ 5 Mb) involves sequencing the entire genome of a bacterium, virus, or other microbe. Without requiring bacterial culture, researchers can sequence thousands of small organisms in parallel using NGS.

De Novo Sequencing

De novo sequencing refers to sequencing a novel genome where there is no reference sequence available. NGS enables fast, accurate characterization of any species.

Phased Sequencing

Phased sequencing, or genome phasing, distinguishes between alleles on homologous chromosomes, resulting in whole-genome haplotypes. This information is often important for genetic disease studies.

Human Whole-Genome Sequencing

Previously a challenging application, human whole-genome sequencing has never been simpler. It offers the most detailed view into our genetic code.

COVID-19 Host Risk and Response

Understanding host genetic differences and individual responses to the SARS-CoV-2 virus increases understanding of disease susceptibiliity and severity. Read more about the methods for host risk & immune response studies.

Featured Products

Illumina DNA Prep

A fast, integrated workflow for a wide range of applications, from human whole-genome sequencing to amplicons, plasmids, and microbial species.

NovaSeq Reagent Kit

Reagent kits for the NovaSeq 6000 System provide ready-to-use cartridge-based reagents for cluster generation and SBS.

MiSeq Reagent Kit

Optimized chemistry to increase cluster density and read length, and improve sequencing quality scores, compared to earlier MiSeq reagent kit versions.

BaseSpace Sequence Hub and iCredits

Data management and simplified bioinformatics for labs getting started and for rapidly scaling next-generation sequencing operations.

Whole-Genome Sequencing Data Analysis

The DRAGEN Bio-IT Platform provides accurate, ultra-rapid analysis of whole-genome sequencing data across a broad range of applications.

How Scientists Use WGS

Investigating the Genetics of COVID-19 Susceptibility

Illumina is providing whole-genome sequencing for a UK-wide study led by Genomics England, designed to compare the genomes of severely and mildly ill COVID-19 patients.

Die Zeit ist jetzt für Mikrobiomstudien

Whole-Genom-Shotgun-Sequenzierung und Transkriptomik liefern Forschern und Pharmaunternehmen Daten zur Verfeinerung der Wirkstoffforschung und -entwicklung.

NGS enthüllt die mysteriöse Welt der Mikroben

Researchers are using shotgun metagenomics to improve our understanding of human health, disease, and microbial evolution.

Shortening the Journey to Diagnosis

Whole genome sequencing may be the key to helping parents avoid months or years of inconclusive tests. Listen to experts from the Undiagnosed Diseases Network to learn more.

Illumina DNA PCR-Free Prep

A high-performing, fast, and integrated workflow for sensitive applications such as human whole-genome sequencing.

Related Solutions

Cancer Whole-Genome Sequencing

Whole-genome sequencing of tumor samples provides a comprehensive view of the unique mutations in cancer tissue, informing analysis of oncogenes, tumor suppressors, and other risk factors.

Microbial Whole-Genome Sequencing

This method can be utilized to generate accurate microbial reference genomes, identify novel bacteria and viruses, perform comparative genomic studies, and more.

Schrotflinten-Metagenomik

This method allows researchers to identify the organisms present in a given complex sample, analyze bacterial diversity, and detect microbial abundance in various environments.

Noninvasive Prenatal Testing

NGS-based WGS involves analysis of cell-free DNA fragments across the entire genome, which has proven advantages over other prenatal testing methodologies.

Rare Disease Whole-Genome Sequencing

This method can detect multiple variant types in a single assay, and help clinical researchers identify causative genetic variants linked to rare disorders.

Complex Disease Genomics

Researchers can utilize WGS and other methods to identify genetic variants associated with complex diseases and characterize disease mechanisms.

Additional Tips and Training Opportunities

Find Content and Products for Your Field

The user-friendly "Recommended Links" feature allows you to quickly find in-depth content and products relevant to your specific field of interest. Sie können auf diese Option oben auf jeder illumina.com-Seite zugreifen.

What is the PhiX Control v3 Library?

This library is derived from the small, well-characterized bacteriophage genome, PhiX. It is an ideal sequencing control for run quality monitoring.

Interested in receiving newsletters, case studies, and information on genomic analysis techniques?

Additional Resources

Flexible Genome Sequencer

Scalable throughput and flexibility for virtually any genome, sequencing method, and scale of project with the NovaSeq 6000 System.

Sequencing Platforms

Compare sequencing platforms by application and specification. Find tools and guides to help you choose the right instrument.

Library Prep and Array Kit Selector

Determine the best kit for your needs based on your project type, starting material, and method of interest.

Sequencing Services

Find high-quality whole-genome and other sequencing services that deliver analyzed data to researchers.

Sequencing Method Explorer

Use this interactive tool to explore experimental NGS library preparation methods compiled from the scientific literature.

View Sequencing Coverage Tips

Learn how to estimate and achieve the necessary sequencing coverage for your experiment.

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For Research Use Only

Not for use in diagnostic procedures except as specifically noted.

Innovative technologies

At Illumina, our goal is to apply innovative technologies to the analysis of genetic variation and function, making studies possible that were not even imaginable just a few years ago. It is mission critical for us to deliver innovative, flexible, and scalable solutions to meet the needs of our customers. As a global company that places high value on collaborative interactions, rapid delivery of solutions, and providing the highest level of quality, we strive to meet this challenge. Illumina innovative sequencing and array technologies are fueling groundbreaking advancements in life science research, translational and consumer genomics, and molecular diagnostics.


Annotation products

  • The products of the annotation process comprise:
    • The scaffolds and chromosomes of the assembled genomes, with the annotation products as features.
    • The individual products (transcripts and proteins)

    " Derived by automated computational analysis using gene prediction method: Curated Genomic"

    " tRNA features were annotated by tRNAscan-SE"

    " Derived by automated computational analysis using gene prediction method: Curated Genomic"

    • Sequence records for predicted models, scaffolds and chromosomes contain the Annotation Release number, which in combination with the species uniquely identifies the annotation. For example, the sequence records for scaffolds, chromosomes and predicted transcripts and proteins for NCBI Pongo abelii Annotation Release 103 contain the following comment:

    ##Genome-Annotation-Data-START##
    Annotation Provider :: NCBI
    Annotation Status :: Full annotation
    Annotation Name :: Pongo abelii Annotation Release 103
    Annotation Version :: 103
    Annotation Pipeline :: NCBI eukaryotic genome annotation pipeline
    Annotation Software Version :: 8.0
    Annotation Method :: Best-placed RefSeq Gnomon
    Features Annotated :: Gene mRNA CDS ncRNA
    ##Genome-Annotation-Data-END##


    Materialen und Methoden

    SO and SOFA have been built and are maintained using the ontology-editing tool OBO-Edit. The ontologies are available at [34].

    The FlyBase D. melanogaster [35] data was derived from the GadFly [36] relational database and converted to Chaos-XML using the Bio-chaos tools. The features were annotated to the deepest concept in the ontology possible, given the available information. For example, the degree of information in annotations was sufficiently deep to describe the transcript features with the type of RNA such as mRNA, oder tRNA. It was therefore possible to restrict the analysis to given types of transcript. CGL tools were used to validate each of the annotations, iterate through the genes and query the features. EM-operators were applied to the part features of genes.

    Other organism data was derived from the Genome section of GenBank [37]. GenBank flat files were converted to SO-compliant Chaos-XML using the script cx-genbank2chaos.pl (available from [19]) and BioPerl [23]. The BioPerl GenBank parser, Bio::SeqIO::genbank was used to convert GenBank flat files to Bioperl SeqFeature objects. Feature_relationships between these objects were inferred from location information using the Bioperl Bio::SeqFeature::Tools::Unflattener code. GenBank Feature Table types were converted to SO terms using the Bio::SeqFeature::Tools::TypeMapper class, which contains a hardcoded mapping for the subset of the GenBank Feature Table which is currently used in the Genome section of GenBank. The same Perl class was used to type the feature_relationships according to SO relationship types. The EM analysis was performed over the Chaos-XML annotations using the CGL suite of modules to iterate over the parts of each gene.


    A field guide to whole-genome sequencing, assembly and annotation

    Robert Ekblom, Department of Evolutionary Biology, Uppsala University, Norbyvägen 18D, SE- 752 36 Uppsala, Sweden.

    Department of Evolutionary Biology, Uppsala University, Uppsala, Sweden

    Department of Evolutionary Biology, Uppsala University, Uppsala, Sweden

    Robert Ekblom, Department of Evolutionary Biology, Uppsala University, Norbyvägen 18D, SE- 752 36 Uppsala, Sweden.

    Department of Evolutionary Biology, Uppsala University, Uppsala, Sweden

    Abstrakt

    Genome sequencing projects were long confined to biomedical model organisms and required the concerted effort of large consortia. Rapid progress in high-throughput sequencing technology and the simultaneous development of bioinformatic tools have democratized the field. It is now within reach for individual research groups in the eco-evolutionary and conservation community to generate de novo draft genome sequences for any organism of choice. Because of the cost and considerable effort involved in such an endeavour, the important first step is to thoroughly consider whether a genome sequence is necessary for addressing the biological question at hand. Once this decision is taken, a genome project requires careful planning with respect to the organism involved and the intended quality of the genome draft. Here, we briefly review the state of the art within this field and provide a step-by-step introduction to the workflow involved in genome sequencing, assembly and annotation with particular reference to large and complex genomes. This tutorial is targeted at scientists with a background in conservation genetics, but more generally, provides useful practical guidance for researchers engaging in whole-genome sequencing projects.


    Materialen und Methoden

    DNA Sample Collection, Extraction, and Sequencing

    Sperm were collected from a single A. millepora colony at Magnetic Island, Queensland (19°08′S, 146°50′E), snap frozen in liquid nitrogen and stored at −80 °C until needed. High-molecular-weight genomic DNA was prepared using a method based on that described by Blin and Stafford (1976). Paired end (PE) and mate pair (MP) libraries were prepared and sequenced on an Illumina Genome Analyzer IIx at the Australian Genome Research Facility. pFosill vectors were supplied by Andreas Gnirke and MP fosill libraries were constructed as described by Williams et al. (2012). The DNA sequencing libraries with Short Read Archive (SRA) accession numbers are listed in supplementary table S1 , Supplementary Material online.

    RNA Sample Collection, Extraction, and Sequencing

    During the annual spawning event of November 2010, A. millepora embryos were raised at the James Cook University research station on Orpheus Island (18°39′52″S, 146°29′42″E) under GBRMPA permit G09/30327.1. In addition to unfertilized eggs and adult samples, samples from six early life history stages were collected. They were donut (gastrula), sphere (post-gastrula), planula, spindle (late planula), settled, and metamorphosed. Samples were snap frozen in liquid nitrogen and stored at −80 °C until required. RNA was extracted as previously described ( Moya et al. 2012). TruSeq stranded mRNA libraries were prepared and sequenced on an Illumina HiSeq2000 by Macrogen Inc., South Korea. The RNA sequencing libraries with SRA accession numbers are listed in supplementary table S2 , Supplementary Material online.

    Genome Assembly

    Prior to genome assembly, quality check and trimming were performed on raw sequencing reads. A preliminary assembly was first conducted using Velvet ( Zerbino and Birney 2008). The insert sizes of PE and MP libraries were estimated by read mapping to the selected contigs. This information ( supplementary table S3 , Supplementary Material online) was used to generate the genome assembly by ALLpath-LG v45633 ( Gnerre et al. 2011). We further applied HaploMerger ( Huang et al. 2012) and GapCloser v1.12-r6 ( Luo et al. 2012) to remove duplicated haplotypes and do scaffolding. The mitochondrial genome sequence was identified from the assembly and compared with known Acropora mitochondrial genomes. Detailed descriptions of assembly methods are provided in Supplementary Materials online.

    Genome Annotation

    De novo identification of repetitive elements was conducted on the A. millepora genome assembly. To facilitate gene prediction, a high-quality training gene set was produced by transcriptome assembly, Open Reading Frame prediction, filtering, and refinement through a series of criteria. The MAKER2 ( Holt and Yandell 2011) annotation pipeline was carried out to generate a protein-coding gene model based on transcript hints, homology, and de novo prediction. Functional annotation was performed by homology searching to match predicted proteins to the PFAM-A protein domain and the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes ( Kanehisa et al. 2017) databases. Detailed description of genome annotation is provided in Supplementary Materials online.

    Assessment of the Genome Assembly and Gene Model Data Set

    The completeness of the genome assembly and gene model were assessed using the CEGMA ( Parra et al. 2009) and BUSCO ( Waterhouse et al. 2018) programs. The accuracy of predicted proteins was evaluated by the coverage of matching homologous proteins from the Swiss-Prot database. A detailed description of the assessment process is provided in Supplementary Materials online.

    Comparative Genomic Analyses

    The updated EIN.digitifera genome assembly (2.0, NCBI accession GCF_000222465.1) and annotation (NCBI annotation release 100) were downloaded from the NCBI FTP site (ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genomes/Acropora_digitifera last accessed February 28, 2019). Whole-genome alignments between A. millepora und A. digitifera were performed using the NUCmer module of MUMmer v4.0.0beta2 ( Marçais et al. 2018) with the default parameters. Alignments with <75% identity were removed. The result was summarized by the dnadiff module of MUMmer and visualized by Circos ( Krzywinski et al. 2009).


    ASFV whole-genome sequencing—History and state of play

    In 1995, the first whole-genome sequence of cell-culture–adapted ASFV strain BA71V was published, providing the first complete genome information on ASFV and therefore a basis for in-depth characterisation [1,6]. However, because whole-genome sequencing using the existing techniques was still extremely laborious, and research interest—due to the eradication of ASF from Europe—decreased, only few additional whole genomes were published in the following years (Fig 1).

    The number of publications related to ASFV per year (blue line) was extracted from NCBI-Pubmed on December 20, 2019, and the accumulated number of ASFV whole-genome sequences (orange line) was extracted from INSDC databases on December 20, 2019. Important events are highlighted (red arrows). ASFV, African swine fever virus EU, European Union INSDC, International Nucleotide Sequence Database Collaboration NCBI, National Center for Biotechnology Information.

    When ASF re-emerged in 2007, research interest into ASFV increased drastically (Fig 1) [2]. Together with technical advances in sequencing, e.g., the use of second-generation high-throughput sequencing platforms [7], a few additional whole-genome sequences were published and used as a basis for genetic characterisation, virus comparison, and vaccine development [7]. However, only after the introduction of ASF into the EU in 2014 did ASF become a research priority. Since then, numerous ASFV sequences of the respective strains have been published using the latest sequencing methods with the goal to identify genetic markers and trace routes of introduction through molecular epidemiology (Figs 1 and 2) [8]. With the introduction of ASF into Asia, home of the most dense population of domestic pigs in the world, the world is now facing the worst pandemic of an animal disease seen to date, and new ASFV whole-genome sequences from Europe and Asia are being published with increasing frequency (Figs 1 and 2) [9]. Nevertheless, we have to ask ourselves whether resources are well invested since the knowledge gained from recently published ASF genome sequences does not meet the expectations.

    The ML tree was constructed using IQ-TREE version 1.6.5 based on MAFFT version 7.388 aligned ASFV core-regions (approximately 137,000 bp from the 5′-A224 to the 3′-DP238L gene) downloaded from INSDC (status 13.05.2020). Standard model selection was used, resulting in the best-fit model GTR+F+R4 (general time reversible model with unequal rates and unequal base frequency + empirical base frequencies + FreeRate model with 4 categories). Statistical support of 10,000 ultrafast bootstraps using the ultrafast bootstrap approximation (UFBoot) (percentage values) is indicated at the nodes. Taxon names include, where available, ASFV designation and INSDC accession number and P72 GT. The scale bar represents number of substitutions per site. The update of the ASFV Georgia 2007/1 sequence from FR682468.1 to FR682468.2 is currently in progress, and FR682468.2 will be available from INSDC soon. The accession LR743116.1, wrongly assigned to the updated ASFV Georgia 2007/1 sequence, was removed from the databases. ASFV, African swine fever virus GT, genotype INSDC, International Nucleotide Sequence Database Collaboration ML, maximum likelihood.


    Abschließend

    Apart from the sequencing methods mentioned above, many are available with certain modifications in protocols but the same basic principles. With possible applications in every field of life sciences, genome sequencing truly has a phenomenal impact on modern biotechnology. Particularly the high-throughput sequencing technologies have become much beneficial in areas of molecular biological studies. With the advent of next-gen methods, sequencing has become uncomplicated in terms of process, data, time, and economy.