כלים גנטיים המשמשים למעקב אחר התפרצות סלמונלה

הסיפור הזה הופיע במקור ProPublica. זה חלק מסדרת התחקירים שלהם לא מסומן: America's Broken Food Safety System.

ProPublica הוא חדר חדשות חקירתי זוכה פרס פוליצר. להירשם החדשות של הסיפור הגדוללetter כדי לקבל סיפורים כמו זה בתיבת הדואר הנכנס שלך.

בחודש שעבר, ProPublica פרסם תחקיר תיעוד הכשלים במערכת בטיחות המזון בארה"ב שאפשרו התפשטות של סוג של סלמונלה המכונה אינפנטיס עמיד לתרופות. החיידק חולה עשרות אלפי אנשים, אך מדיניות ממשלתית מיושנת ודחיקה ממסחר קבוצות הותירו לסוכנויות הפדרליות כוח מועט כדי למנוע מהתינוקות להתפשט בעופות תַעֲשִׂיָה.

הדיווח שלנו הסתמך על בקשות רשומות ציבוריות ועשרות ראיונות, הלחם והחמאה של העיתונות. אבל השתמשתי גם בסוג של נתונים ש-ProPublica מעולם לא השתמשה בהם קודם לכן: נתוני רצף גנומי זמינים לציבור.

לפני שהפכתי לעיתונאי נתונים, הייתי דוקטורנט להנדסת חשמל. רוב המחקר שלי היה בביואינפורמטיקה - ניתוח ופרשנות של נתונים גנטיים - ועבור שבע שנים, טיפוח חיידקים, טיהור חומצות גרעין וכתיבת קוד לניתוח נתוני רצף היו שֶׁלִי לחם וחמאה.

אז כשעמיתי ProPublica מייקל גרבל וברניס יונג פנו אלי בשאלות לגבי נתוני רצף גנומי, הייתי כולי אוזניים. הם הסבירו שהם חופרים בחקירת התפרצות סלמונלה שהמרכזים לבקרת ומניעת מחלות סגרו בשנת 2019, אם כי עם אזהרה ש"מחלות עלולות להימשך כי נראה שזן הסלמונלה הזה נפוץ בעוף תַעֲשִׂיָה."

פקידי בריאות לא אמרו דבר לצרכנים על ההתפרצות מאז. ברניס ומייקל רצו לדעת אם יש דרך לעקוב אחר המתח כדי לראות אם ההתפרצות עדיין נמשכת. אם המטרה הסופית של חקירות מחלות הנישאות במזון היא לזהות ולטפל במקור של התפרצות, מדוע ה-CDC סגר את החקירה הזו מבלי למצוא את הסיבה ובעוד אנשים עדיין לחלות?

כמה מומחים הסבירו שהחקירה לא מצאה קישורים ברורים למוצר מסוים, מותג או מפעל לעיבוד מזון מסוים. אבל הם גם הזכירו משהו שיתברר כמפה חיונית למעקב אחר מסלול ההתפרצות. הממשלה הפדרלית אספה נתונים על מחלות הנישאות במזון באמצעות מערכת בשם איתור פתוגנים פּרוֹיֶקט. הוא מנוהל על ידי המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגיה, או NCBI, חלק מהמכונים הלאומיים של בריאות, והוא משלב נתונים על פתוגנים חיידקיים שנלקחו מדגימות של מזון, סביבה ואדם חולים. ה NCBI מנתח נתונים בזמן אמת, והתוצאות מנוטרות על ידי סוכנויות בריאות הציבור, כולל ה-CDC והרגולטורים על בטיחות המזון.

חשבנו שנוכל להשתמש באותו מידע כדי להבין אם סלמונלה אינפנטיס עמידה לריבוי תרופות עדיין בחוץ - ואם כן, מדוע.

כרוניקות אינפנטיס

אז מייקל וברניס התחילו לחטט במסד הנתונים של NCBI. זה היה, כפי שהובטח, בוננזה של פרטים חיידקיים. לאחר שדיברו עם מקורות וחפרו בספרות המדעית, הם מצאו קוד מזהה ייחודי שהניב "אשכול" של יותר מ-8,000 דגימות סלמונלה אינפנטיס, כולל כמעט כל 300 הדגימות שיועדו כחלק מה- התפרצות. אבל מונחים מסוימים היה קשה להם לפענח, כמו "עצים פילוגנטיים" או "פולימורפיזמים של נוקלאוטידים בודדים".

מסתבר שאלו תכונות שנגזרות מנתוני רצף גנומי, סוג הנתונים שאיתם עבדתי במהלך לימודי הדוקטורט שלי. למרות שהרקע שלי אינו ספציפי בגנטיקה של חיידקים (הרבה פחות מהזן הספציפי הזה של סלמונלה), ידעתי מספיק כדי לאפשר לי להתחיל לחפור בפרטים האלה.

מסקירת התיעוד של מסד הנתונים של NCBI, קריאת מאמרים אקדמיים ושיחה עם מדענים, למדתי שדגימות מוקצות לאשכול על סמך דמיון גנטי. אבל אם זה נכון, מה דגימות החיידקים האחרות בצביר - כ-7,700 דגימות שלא תועדו רשמית כחלק מההתפרצות - יכולות לספר לנו על אינפנטיס? האם ייתכן שההתפרצות מעולם לא הסתיימה, ונשארה משתוללת בדיוק כמו לפני שה-CDC סגר את חקירתה? או אולי ההתפרצות הזו אתגרה את עצם ההגדרה של מה שתמיד חשבו להיות התפרצות?

נתוני NCBI לבדם לא יגידו לנו. מאגר המידע מופשט מפרטי מפתח, כמו מפעל העופות שבו נלקחה דגימת סלמונלה או מתי ובמקום שבו חולה חלה, חיסרון שמדענים בתעשייה ותומכי צרכנים התלוננו עליו על אודות. זה המקום שבו התיעוד הציבורי הוכיח את עצמו חיוני. מייקל וברניס, יחד עם מולי סיימון בצוות המחקר שלנו, הגישו אליהם עשרות בקשות לרישומים ציבוריים ה-CDC, משרד החקלאות האמריקאי וסוכנויות בריאות הציבור הממלכתיות שעבדו על האינפנטיס התפרצות. באמצעות הבקשות הללו, השגנו רשומות מתוכנית הדגימה המיקרוביולוגית של משרד החקלאות, שחשפו באיזו תדירות נמצאו סוגים שונים של סלמונלה באיזה צמחי עופות. השגנו גם מידע אפידמיולוגי על חולים שהיו חלק מההתפרצות, כולל התאריך שבו נבדקו לסלמונלה, פרטים על מחלתם ומזון אחרון צְרִיכָה. הרשומות לא כללו את שמות החולים, כמובן, אבל יכולנו להתאים את שני מערכי הנתונים שהשגנו לנתוני הרצף הזמינים במסד הנתונים של NCBI.

נתוני הדגימה של USDA אפשרו גם ל-ProPublica ליצור כלי מקוון שצרכנים יכולים להשתמש בהם כדי לבדוק את תיעוד הסלמונלה של הצמחים המעבדים את העוף וההודו שלהם.

כשבדקנו את הנתונים והרשומות הציבוריות, למדנו כיצד ה-CDC ניתח DNA כדי לחבר מקרים של הרעלת מזון. משנות ה-90 ועד סמוך למועד התפרצות האינפנטיס, החוקרים השתמשו בטכניקה שנקראת אלקטרופורזה של ג'ל דופק, או PFGE.

ההבדל בין PFGE לנתוני רצף היה מכריע להתפרצות זו ולחקירה שלנו.

PFGE מת. יחי WGS.

כאשר מטופל מגיע לבית החולים עם תסמינים של מחלות הנישאות במזון, ניתן לקחת דגימת צואה או שתן. לאחר מכן, ניתן לחלץ DNA מחיידקים שנמצאו בדגימה במעבדה.

אפשר לחשוב על רצף DNA כעל מילה מורכבת ענקית המאייתת עם רק ארבע "אותיות" מולקולריות אפשריות או בסיסי נוקלאוטידים. PFGE משתמש בחלבון מיוחד כדי לחתוך DNA למקטעים קטנים יותר - דמיינו לעצמכם פירוק של מילה מורכבת ענקית לגושים של מילים. לאחר מכן, שדה חשמלי מופעל, ומקטעי ה-DNA החתוך יסדרו מחדש על סמך משקלם, וכתוצאה מכך תבנית דמוית ברקוד גלויה.

מדענים יכולים להשוות דפוסי PFGE כדי לנחש עד כמה הפתוגנים קשורים זה לזה. ככל שדפוסי ה-PFGE שלהם דומים יותר, כך ה-DNA הבסיסי שלהם חייב להיות דומים יותר. במשך שנים, כולל הזמן שכוסה בחקירת אינפנטיס, נעשה שימוש בדפוסי PFGE להגדרת זני התפרצות.

אבל בתחילת שנות ה-2000, טכנולוגיה חדשה בשם רצף הדור הבא אפשרה להשיג במהירות יחסית קריאה של הרצף המלא של בסיסי נוקלאוטידים בדגימת DNA, תהליך הנקרא רצף גנום שלם, או WGS. אנשים נבדלים על ידי ההבדלים הזעירים ביותר בגנים שאנו חולקים, אבל זה מעבר ליכולות של PFGE. עם זאת, ריצוף של גנום שלם יכול לחשוף את ה"איות" הייחודיים של ה-DNA שלנו שמבדילים אותך ממני - או זן אחד של פתוגן לאחר.

שינויים גנטיים מתרחשים באבולוציה, אבל גם במקרה.

רצף הנתונים הוא עמוד השדרה של פרויקט זיהוי הפתוגנים של NCBI. NCBI מקבץ דגימות דומות מבחינה גנטית לאשכולות ולאחר מכן משווה כל רצף, בסיס נוקלאוטיד אחר בסיס נוקלאוטיד, לרצפים האחרים בצביר.

עבור כל מקבץ דגימות, NCBI יוצר גם עץ פילוגנטי, גרסה של ביולוג אבולוציוני לאילן היוחסין המצויר ביד של דודה סו שלך. זה מציג מודלים של האופן שבו קבוצת אורגניזמים עשויה להיות קשורה לאבות קדמונים אפשריים וזה לזה.

אבל עצים פילוגנטיים שמצוירים על סמך אבות קדומים משותפים היפותטיים, כמו אלה של NCBI, מתפרשים אחרת מאשר עצי משפחה ידועים. שינויים גנטיים מתרחשים באבולוציה, אבל גם במקרה. במקרה של בני אדם, למיליוני זרים לא קשורים עשוי להיות גן מסוים שמוליד א מחלה מסוימת, אבל זה שונה מהידיעה שירשתי את הגן הזה ישירות מהגן שלי הורים. זה במידה רבה זהה לחיידקים כמו סלמונלה.

אז תהיתי: מה יכול העץ של אשכול אינפנטיס זה לספר לנו על מידת הקשר ההדוק של דגימות ההתפרצות לאלפי דגימות המזון והמטופלים העדכניים יותר באותו אשכול?

אין כדור כסף

כדי לברר, פינתי 100 גיגה-בייט במחשב הנייד של העבודה שלי וביקשתי מהעורכים שלי 50 יורו. שטח הכונן הקשיח נועד להשוואה של כ-32 מיליון זוגות דגימות מנתוני NCBI, והיורו היה עבור תוכנת הדמיה פילוגנטית נוצר על ידי חוקרים בגרמניה.

על ידי השוואת דגימות החיידקים שנמצאו בבדיקות USDA לדגימות ההתפרצות, גיליתי שיותר מפעמיים ביום השנה, בממוצע, הסוכנות מצאה תינוקות עמידים לתרופות בתרנגולות המיועדות לסופרמרקטים ומסעדות שדומה גנטית להתפרצות מתח. אישרנו גם שה-CDC עדיין מקבל דיווחים על זיהומי אינפנטיס - לאחרונה כמו בשבוע שעבר.

ממצא זה מדגיש את הכוח של מאגרי מידע של WGS כמו זה של NCBI לעזור לחוקרים ליצור קשרים בין מחלות אנושיות למזונות שאולי אכלו. הודות ל-WGS, פקידי בריאות הציבור גילו שמזונות מסוימים, כמו קמח נא ואפרסקים, היו וקטורים להתפרצויות של מחלות הנישאות במזון, למרות שלעתים רחוקות היו קשורים למחלה מסוימת חרק. רצף הנתונים אפילו סייע בפתרון מקרים שהתקררו מזמן, כמו זילוף של מקרי הרעלת מזון הקשורים לגלידה שהתחברו לבסוף לאחר חצי עשור.

אבל WGS הוא לא כדור כסף. אפילו התאמה של DNA "מושלם" לכאורה ב-NCBI לא יכולה לזהות באופן סופי את האשם הספציפי מאחורי מחלה הנישאת במזון. חיידקים צוברים שינויים ב-DNA במהירות יחסית ויש להם הרגל מעצבן של החלפת גנים כמו קלפי פוקימון. דגימות חיידקים עשויות לחלוק את אותה קבוצה של גנים ומוטציות מכיוון שהן הגיעו מאותו מקור, או שהן עשויות לרכוש אותן באופן עצמאי בנסיבות שונות לחלוטין. אז התאמה גנטית בין דגימת מזון לאדם חייבת להיות מאומתת עם הוכחות אפידמיולוגיות כדי לוודא שהיא מתאימה לציר הזמן של ההתפרצות ותואמת מקור תיאורטי של ההתפרצות.

מה שבדקנו מעיד על באג שמושרש כל כך עמוק בשרשרת אספקת העופות שקשה להבין מאיפה הוא הגיע.

קיוויתי שדמיית דגימות ההתפרצות על עץ פילוגנטי יחשוף תובנות לגבי דגימות האינפנטיס העדכניות יותר לעומת אלו שנאספו במהלך ההתפרצות. אולי יהיו דפוסים בעץ שמראים שדגימות חדשות יותר חולקות קווי דמיון גנטי יותר מאשר דגימות ההתפרצות. או שדגימות התפרצות מסוימות הולידו מיני התפרצויות משלהן. במקום זאת, תוכנת ההדמיה הראתה שמבחינה אבולוציונית, דגימות ההתפרצות היו בכל מקום: לא ניתן היה לעקוב אחריהם למקור מסוים אחד.

היעדר דפוסים ברורים בעץ שיכולים להיות קשורים לגיאוגרפיה, לזמן או למוצר מזון תמך בתיאוריה של ה-CDC לפיה זיהום אינפנטיס היה מקורו ככל הנראה אינו במטבחי או במפעלי עיבוד מסוימים, אלא במעלה הזרם בשרשרת אספקת העופות, אולי במזון או בגידול. להקות. (שתי חברות הגידול הגדולות, Aviagen ו-Cobb-Vantress, האחרונה חברה בת של Tyson Foods, סירבו להגיב.) השוואת רצפי ה-DNA לא הניבה רמזים נוספים - המספר ההבדלים הגנטיים בין שתי דגימות מתקופת ההתפרצות היה, בממוצע, בערך זהה לזה שבין מבודד התפרצות לבין אינפנטיס עמיד יותר למספר תרופות. לְבוּדֵד. במילים פשוטות: דגימות האינפנטיס לפני, במהלך ואחרי ההתפרצות היו, בסופו של דבר, כולן די דומות.

חלקנו את הממצאים שלנו עם מומחים רבים, כולל חוקרי CDC לשעבר ובהווה ומדעני בטיחות מזון. הם הסכימו שהניתוח שלנו הצביע על משהו שונה מאוד מהתפרצות המחלות המסורתיות הנישאות במזון שניתן לייחס למקור יחיד סופי. מה שבדקנו, הם אמרו, מעיד על באג שמושרש כל כך עמוק בשרשרת אספקת העופות שקשה להבין מאיפה הוא הגיע.

נוף חדש של מחלות חיידקיות במזון

סגירת חקירת האינפנטיס ללא כל מסקנות לגבי מקורות ההתפרצות היא, כך נראה, מבשר. קווי דמיון בנתונים גנטיים מקשרים מקרים שלכאורה לא קשורים ביניהם של אנשים שחולים במדינות שונות וצורכים מוצרים שונים. בפגישה של USDA בנושא סלמונלה בשנה שעברה, תיאר רוברט טאס, מנהל החטיבה למחלות נישאות במזון, מים וסביבתיות ב-CDC, "חדש נוף" של מחלות הנישאות במזון שנחשפו על ידי WGS: זנים הגורמים להתפרצויות חוזרות, שהופיעו לאחרונה ונמשכים באוכלוסייה משנה עד שָׁנָה.

עצם ההגדרה של מהי התפרצות מוטלת בספק, אמרו לנו מומחים.

מדענים מתחילים לענות על השאלה הזו באמצעות רצף נתונים ומחברים יחד כיצד חיידקים מנצלים את שרשרות אספקת המזון המקושרות שלנו. א מחקר 2015 על סלמונלה במוצרי דגים המיועדים לסושי במסעדות ובחנויות מכולת שזוהו מדינות מסוימות בשרשרת האספקה ​​העולמית של הטונה שבהן יש סיכוי גבוה יותר לזיהום סלמונלה מתרחש.

"סוכנויות בריאות הציבור", כתבו המחברים, "יוכלו להשתמש במידע זה כדי לקבוע את נקודות ההתערבות היעילות ביותר כדי למזער או לחסל את הסיכון להתפרצות."

עד כה, ה-USDA לא השתמש במלואו במידע העומד לרשותו כדי למנוע מהזנים המסוכנים ביותר של סלמונלה להתפשט באספקת המזון שלנו.

עם זאת, ייתכן שזה ישתנה. בחודש שעבר, לאחר שנים של לחץ ציבורי (ושבועות של פניות מ-ProPublica), אמרה פקידת בטיחות המזון הבכירה ב-USDA, סנדרה אסקין, כי הסוכנות שוקלת מחדש את גישתה לסלמונלה. הסוכנות תקים פרויקטים פיילוטים ותקיים פגישות לפיתוח תוכנית חדשה, אך הכרזתה הייתה קצרה בפרטים.