"Inimene tahab teada, millest koosneb tema toit ja mõnedele, näiteks toiduallergiaga inimestele, ei ole see lihtsalt huvipakkuv informatsioon, vaid see on ka oluline nende tervise ja ohutuse seisukohalt. Juba väike kogus allergeensete taimede jääke võib tähendada nende jaoks anafülaksiat või halvimal juhul surma," sõnas Kairi Raime, doktoritöö autor ja Tervisetehnoloogiate Arenduskeskuse bioinformaatik.

Sarnane lugu on loodusravimitega. On teada juhtumeid, kus üks taimne toimeaineliik on vahetatud hinna soodsana hoidmise nimel salamisi teise vastu. Halvimal juhul võib selliste toodete söömine või kasutamine lõppeda tarbija jaoks tõsise mürgistusega.

Teadlasi varasematel aastakümnetel teeninud meetoditel on omad puudused. Ülipeeneks jahvatatud pulbri korral pole toiduaine kujule, värvusele ja teistele sarnastele omadustele suunatud analüüsidega kuigi palju teha. Pähkli- või lupiinijahu sellest sel viisil naljalt ei avasta. Keerukad võivad olla ka tavapärased keemilised analüüsid.

Appi tuleb pärilikkusaine DNA järjestamise vallas toimunud revolutsioon. "Kui võtame mõne toidu, leiame sellest jälgi paljude organismide DNA-st, mida on selle valmistamiseks kasutatud või mis on sellega kuidagi kokku puutunud," viitas Raime. Nende tuvastamiseks piisab juba väikesest DNA kogusest.

Enamasti kasutatakse selleks PCR-meetodit. Sama lähenemisviis on võetud appi koroonaproovides viiruse olemasolu kinnitamiseks. Selleks on viiruse või mõne teise organismi genoomist eelnevalt välja valitud sellele iseloomulikud lõigud, mille olemasolu korral kinnituvad nende külge neile vastavad nn praimerid. Sealt edasi on vaja märgistatud DNA-d nii kaua paljundada, kuni see analüüsiseadmetele nähtavaks muutub. Lahendus on piisavalt hea, kui huvi pakub vaid mõne üksiku liigi tuvastamine

"Siinkohal on see (PCR) ajale veidi jalgu jäänud. Kui tahame järjestada kogu toidus leiduva DNA ja tuvastada kümneid liike, läheb selle metoodika arendus oluliselt kallimaks ning ei tarvitse olla üldsegi enam kulutõhus," selgitas värske doktor.

PCR meetodi kasutamise teeb keerukaks ka rohke kordusjärjestuste esinemine taimegenoomides. Sellistele genoomipiirkondadele loodud PCR praimerid seonduvad paljudesse erinevatesse kohtadesse genoomis, mis vähendab valitud genoomipiirkonna paljundamise saagist ja võib mõjutada ka liigi tuvastamist PCR abil. 

Uudsem vaatenurk

Kairi Raime kasutas oma kolleegidega uudsemat lähenemist. Praeguseks loodud DNA-järjestamise tehnoloogiad on piisavalt odavad, et saaks järjestada kogu proovis leiduva pärilikkusaine. Selle tulemusel on teadlastel juba eos käes hiiglaslik DNA järjestuste andmebaas. Tuleb vaid välja nuputada, milliseid küsimusi on vastuse saamiseks mõistlik küsida. Seda bioinformaatik tegigi.

Raime tuvastas mitmete inimeste toidu seisukohast oluliste liikide puhul neile iseloomulikud k-meerid. Kuigi taimede genoomid võivad koosneda miljardite aluspaaride pikkustest DNA järjestustest, võib olla piisavalt pika kindla tähekombinatsiooni ehk nukleotiidide järjestuse kohtamisel suhteliselt rahulik, et tegu on just huvipakkuva liigi spetsiifilise DNA järjestusega.

Antud juhul kasutas bioinformaatik selleks 32-meere ehk DNA järjestusi pikkusega 32 nukleotiidi. Meetodi eelisena kasutatakse liigi tuvastamiseks sadu või tuhandeid selle liigi jaoks unikaalseid järjestusi, mis paiknevad üle kogu genoomi. 

Sobilike k-meeride leidmist tuumagenoomidest takistas asjaolu, et paljude taimeliikide tuumagenoom pole veel järjestatud. "Taimeliike on sadu tuhandeid. Tuumagenoomi järjestusi on veel liiga vähe sekveneeritud, et leida kindlale taimeliigile ainuomaseid k-meere tuumagenoomidest," sõnas Raime.

Samas on piisavalt hulgal andmebaasides plastiidide genoomi järjestusi, mida sai taimede unikaalsete k-meeride leidmiseks siiski kasutada. Plastiidid sarnanevad oma olemuselt loomarakkude mitokondritele. Energia tootmiseks hädavajalike geenide asemel on seal aga orgaanilise aine sünteesimiseks või varuainete moodustamiseks tarvilikud geenid. 

Plastiididest lähtumisel on teinegi eelis. Neid leidub taimerakkudes erinevalt rakutuumast rohkem koopiaid. Nõnda on kindlam, et iga taimeliik jätab proovi oma jälje.

Esimesed katsed ja tulevik

Näituuringutes kasutas Kairi Raime väljatöötatud metoodikat muu hulgas tomati, riisi ja maisi ainulaadsete k-meeride leidmiseks. Lupiinide, neist valmistatud jahu ja nisujahuga tehtud katsed kinnitasid, et meetod on piisavalt tundlik. Näiteks suudeti tuvastada lupiinide DNA-d nii selle seemnetes kui ka küpsises, millest enam kui 99 protsenti moodustas nisujahu. Tõsi, mida väiksem oli allergeeni osakaal, seda rohkem järjestusi proovi kohta usaldusväärse tulemuse saamiseks lugeda tuli ja kallimaks analüüs muutus.

"Kõik sõltub sellest, kui suurt tundlikkust sa taga ajad. Sügavam järjestamine on kallim, aga hinna poolest on 20 miljonit kuni 30 miljonit järjestust veel optimaalne ja leidsime küpsisest lupiinijahu sellisel juhul üles ka siis, kui seda oli vaid 0,02 protsenti," märkis Raime. Bioinformaatiku sõnul on k-meeride põhine lähenemine kogukonna silmis kõige tundlikumaks hinnatud PCR-meetodi täpsusega võrreldav.

Kuna taimeliikide tuvastamisel lähtutakse lühikestest DNA-järjestustest, pole suurt lugu ka sellest, kui selle ahelad kuumuse tõttu lühemateks juppideks lagunema hakkavad.

Tulevikus võiks toidu ohutuse k-meeridel põhineva analüüsiga kontrollimine meenutada ühekordse vereproovi võtmist. Kui kogu proovis leiduv DNA on järjestatud, saab juba vastavalt vajadusele hõlpsalt uurida, milliseid liike seal lisaks esialgsele huviobjektile veel leidub. "Lisaks konkreetsete allergeenide tuvastamisele, saame sama proovi DNA järjestuste andmetest tuvastada, kas seal leidub näiteks baktereid, hallitusseeni või midagi muud, ilma lisalaboratoorseid töid tegemata," lisas bioinformaatik.

Põhimõtteliselt saaks nüüd metoodika väljatöötamise järel teha sarnaseid analüüse iga ettevõte, mis suudab hakkama saada teise põlvkonna DNA-järjestamisega ja järjestuste analüüsiga.

"Siiski arvan ma, et praegu Eesti toiduainetööstusel selliseid võimalusi ja võimekust DNA järjestuste analüüsiks ei ole. Huvitavate uurimisküsimuste korral võib aga alati pöörduda TÜ bioinformaatika õppetooli või Tervisetehnoloogiate Arenduskeskusesse, kus hetkel arendame metoodikat erinevate liikide tuvastamiseks toidust," kinnitas Raime.

Tutvu doktoritööga täies mahus Tartu Ülikooli digikogus. Tööd juhendas Tartu Ülikooli bioinformaatika õppetooli juhataja Maido Remm.