Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Couto, Bruna Patricia
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41714
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210
Resumo: Salmonella spp. is the main pathogen responsible for foodborne illnesses (FADs). Among the serotypes present in the S. enterica species, Salmonella Enteritidis (SE) is primarily associated with human diseases. SE control is mandatory in Brazil and many other countries, but its identification using microbiological tests followed by gold-standard serological and/or molecular tests is time-consuming and laborious for the food industry. His thesis consists of two chapters related to the development of a Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR) biosensor for the detection of SE in pure colonies and/or bird carcasses, either associated or not with binding biomarkers. The first chapter describes the utilization of Phage Display technology for the selection of SE-binding phages and subsequent detection on the ATR-FTIR biosensor. Following the selection of the top two candidates via Phage-ELISA, the peptides were synthesized and designated as C1-2 and H1-2. These peptides, along with the control antibody (anti-HM), were immobilized on magnetic beads to detect SE in isolated colonies and chicken carcasses. We then utilized an ATR-FTIR biosensor for sample detection, aided by artificial intelligence (AI). The C1-2 peptide exhibited the most promising results, displaying high sensitivity (100%), specificity (91.67%), and an AUC (99.2%) in colonies isolated from SE. For carcass samples, the H1-2 peptide exhibited superior sensitivity (88.57%), specificity (75%), and AUC (76.5%) values compared to C1-2, indicating its potential for implementation in serial tests such as screening. In the second chapter, we combine ATR-FTIR supported by intelligence algorithms to detect SE in pure colony samples. Infrared (IR) spectra were recorded from five Salmonella serotypes [(SE, S. Gallinarum (SG), S. Typhimurium (ST), S. Heidelberg (SH), and S. Dublin (SD)] and the data was randomly split between training data (158 samples) and external validation data (118 samples) to build the Salmonella database. he algorithm models with the best predictive performance were Random Forest, Support Vector Machine (SVM), and Logistic Regression for test data (external validation). All models achieved a high accuracy value of 97.46%. Considering an attractive test to detect Salmonella as one that presents the best sensitivity, specificity, and area under the curve values, the Random Forest model (94.74%, 97.98%, and 99.7% respectively) and SVM (94.74%, 97.98%, and 99.6% respectively) were deemed by this study as the most effective in distinguishing SE from other Salmonella serovars. The dataset from this doctoral thesis suggests that the development of a rapid and sustainable biosensor, supported by artificial intelligence algorithms, along with the selection of molecules using Phage display technology integrated into immunoenzymatic tests, holds significant potential for Salmonella detection.
id UFU_8d3b56d8276ff638fe446af4e1b0d80d
oai_identifier_str oai:repositorio.ufu.br:123456789/41714
network_acronym_str UFU
network_name_str Repositório Institucional da UFU
repository_id_str
spelling Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantesDevelopment of biosensor for control of Salmonella Enteritidis based on spectroscopy and artificial intelligence associated or not with binding biomarkersPhage displayBeads magnéticasATR-FTIRDiagnósticoSustentabilidadeSalmonella EnteritidisImunologiaCNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::IMUNOLOGIAImunologiaInteligência artificial - Aplicações médicasInfecção cruzadaODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.Salmonella spp. is the main pathogen responsible for foodborne illnesses (FADs). Among the serotypes present in the S. enterica species, Salmonella Enteritidis (SE) is primarily associated with human diseases. SE control is mandatory in Brazil and many other countries, but its identification using microbiological tests followed by gold-standard serological and/or molecular tests is time-consuming and laborious for the food industry. His thesis consists of two chapters related to the development of a Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR) biosensor for the detection of SE in pure colonies and/or bird carcasses, either associated or not with binding biomarkers. The first chapter describes the utilization of Phage Display technology for the selection of SE-binding phages and subsequent detection on the ATR-FTIR biosensor. Following the selection of the top two candidates via Phage-ELISA, the peptides were synthesized and designated as C1-2 and H1-2. These peptides, along with the control antibody (anti-HM), were immobilized on magnetic beads to detect SE in isolated colonies and chicken carcasses. We then utilized an ATR-FTIR biosensor for sample detection, aided by artificial intelligence (AI). The C1-2 peptide exhibited the most promising results, displaying high sensitivity (100%), specificity (91.67%), and an AUC (99.2%) in colonies isolated from SE. For carcass samples, the H1-2 peptide exhibited superior sensitivity (88.57%), specificity (75%), and AUC (76.5%) values compared to C1-2, indicating its potential for implementation in serial tests such as screening. In the second chapter, we combine ATR-FTIR supported by intelligence algorithms to detect SE in pure colony samples. Infrared (IR) spectra were recorded from five Salmonella serotypes [(SE, S. Gallinarum (SG), S. Typhimurium (ST), S. Heidelberg (SH), and S. Dublin (SD)] and the data was randomly split between training data (158 samples) and external validation data (118 samples) to build the Salmonella database. he algorithm models with the best predictive performance were Random Forest, Support Vector Machine (SVM), and Logistic Regression for test data (external validation). All models achieved a high accuracy value of 97.46%. Considering an attractive test to detect Salmonella as one that presents the best sensitivity, specificity, and area under the curve values, the Random Forest model (94.74%, 97.98%, and 99.7% respectively) and SVM (94.74%, 97.98%, and 99.6% respectively) were deemed by this study as the most effective in distinguishing SE from other Salmonella serovars. The dataset from this doctoral thesis suggests that the development of a rapid and sustainable biosensor, supported by artificial intelligence algorithms, along with the selection of molecules using Phage display technology integrated into immunoenzymatic tests, holds significant potential for Salmonella detection.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTese (Doutorado)Salmonella spp. é o principal patógeno responsável pelas doenças transmitidas por alimentos (DTA). Dentre os sorotipos pertencentes à espécie S. enterica, Salmonella Enteritidis (SE) é o principal associado a doenças humanas. O controle de SE é obrigatório no Brasil e em muitos outros países, mas sua identificação utilizando testes microbiológicos, seguidos de testes sorológicos e/ou moleculares, considerados padrão ouro, é demorado e trabalhoso para a indústria alimentícia. Essa tese é composta por dois capítulos relativos ao desenvolvimento de um biossensor de Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier com Refletância Total Atenuada (ATR-FTIR) para detecção de SE em colônias puras e/ou carcaças de aves, associados ou não a biomarcadores ligantes. O primeiro capítulo descreve o uso da tecnologia Phage Display para a seleção de fagos ligantes a SE e posterior detecção no biossensor ATR-FTIR. Após selecionar os dois melhores fagos por Phage-ELISA, os peptídeos foram construídos e denominados C1-2 e H1-2. Os peptídeos e anticorpo controle (anti-HM) foram imobilizados em beads magnéticas para identificar SE em colônias isoladas e em carcaças de frango. Em seguida, empregamos um biossensor ATR-FTIR para detecção nas amostras, com a ajuda da inteligência artificial (IA). O peptídeo C1-2 foi o que apresentou melhores resultados, demonstrando alta sensibilidade (100%), especificidade (91,67%) e área sob a curva (AUC) (99,2%) em colônias isoladas de SE. Para amostras de carcaça, peptídeo H1-2 apresentou melhores valores de sensibilidade (88,57%), especificidade (75%) e AUC (76,5%) em relação ao C1-2, demonstrando ser um bom potencial para ser utilizado em testes seriados como triagem. No segundo capítulo, combinamos o ATR-FTIR apoiada por algoritmos de inteligência para detectar Salmonella Enteritidis (SE) em amostras de colônias puras. Os espectros de infravermelho (IR) foram registrados a partir de cinco sorotipos de Salmonella [(SE, S. Gallinarum (SG), S. Typhimurium (ST), S. Heidelberg (SH) e S. Dublin (SD)] e os dados foram divididos aleatoriamente entre treinamento dados (158 amostras) e dados de validação externa (118 amostras) para construir o banco de dados de Salmonella . Os modelos de algoritmos treinados com melhor desempenho preditivo foram Rondon Forest, Support Vector Machine (SVM) e Regressão Logística para os dados de teste (validação externa). Todos os modelos alcançaram um alto valor de precisão de 97,46%. Considerando um bom teste diagnóstico como aquele que apresenta os melhores valores de sensibilidade, especificidade e área sob a curva, os modelos Random Forest (94,74%, 97,98% e 99,7% respectivamente) e SVM (94,74%, 97,98% e 99,6% respectivamente) foram considerados por este estudo como os melhores para distinguir SE de outros sorovares de Salmonella . O conjunto de dados desta tese de doutorado sugere que o desenvolvimento de um biossensor rápido e sustentável, apoiado por algoritmos de inteligência artificial, juntamente com a seleção de moléculas utilizando a tecnologia Phage display integrada em testes imunoenzimáticos, tem um potencial significativo para o diagnóstico de Salmonella.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Imunologia e Parasitologia AplicadasFonseca, Belchiolina Beatrizhttp://lattes.cnpq.br/5813316486903447Silva, Robinson Sabinohttp://lattes.cnpq.br/1886483839073466Lucca, Érica Crosara Ladir dehttp://lattes.cnpq.br/8037531104881795Mendonça, Eliane Pereirahttp://lattes.cnpq.br/0719310055171305Bastos, Luciana Machadohttp://lattes.cnpq.br/8534840777182237Knöbl, Terezinhahttp://lattes.cnpq.br/2848262283092226Couto, Bruna Patricia2024-07-19T13:31:38Z2024-07-19T13:31:38Z2024-03-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCOUTO, Bruna Patricia. Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes. 2024. 120 f. Tese (Doutorado em Imunologia e Parasitologia Aplicadas) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41714http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-07-22T19:26:47Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/41714Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-07-22T19:26:47Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
dc.title.none.fl_str_mv Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
Development of biosensor for control of Salmonella Enteritidis based on spectroscopy and artificial intelligence associated or not with binding biomarkers
title Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
spellingShingle Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
Couto, Bruna Patricia
Phage display
Beads magnéticas
ATR-FTIR
Diagnóstico
Sustentabilidade
Salmonella Enteritidis
Imunologia
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::IMUNOLOGIA
Imunologia
Inteligência artificial - Aplicações médicas
Infecção cruzada
ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
title_short Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
title_full Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
title_fullStr Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
title_full_unstemmed Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
title_sort Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes
author Couto, Bruna Patricia
author_facet Couto, Bruna Patricia
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Fonseca, Belchiolina Beatriz
http://lattes.cnpq.br/5813316486903447
Silva, Robinson Sabino
http://lattes.cnpq.br/1886483839073466
Lucca, Érica Crosara Ladir de
http://lattes.cnpq.br/8037531104881795
Mendonça, Eliane Pereira
http://lattes.cnpq.br/0719310055171305
Bastos, Luciana Machado
http://lattes.cnpq.br/8534840777182237
Knöbl, Terezinha
http://lattes.cnpq.br/2848262283092226
dc.contributor.author.fl_str_mv Couto, Bruna Patricia
dc.subject.por.fl_str_mv Phage display
Beads magnéticas
ATR-FTIR
Diagnóstico
Sustentabilidade
Salmonella Enteritidis
Imunologia
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::IMUNOLOGIA
Imunologia
Inteligência artificial - Aplicações médicas
Infecção cruzada
ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
topic Phage display
Beads magnéticas
ATR-FTIR
Diagnóstico
Sustentabilidade
Salmonella Enteritidis
Imunologia
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::IMUNOLOGIA
Imunologia
Inteligência artificial - Aplicações médicas
Infecção cruzada
ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
description Salmonella spp. is the main pathogen responsible for foodborne illnesses (FADs). Among the serotypes present in the S. enterica species, Salmonella Enteritidis (SE) is primarily associated with human diseases. SE control is mandatory in Brazil and many other countries, but its identification using microbiological tests followed by gold-standard serological and/or molecular tests is time-consuming and laborious for the food industry. His thesis consists of two chapters related to the development of a Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR) biosensor for the detection of SE in pure colonies and/or bird carcasses, either associated or not with binding biomarkers. The first chapter describes the utilization of Phage Display technology for the selection of SE-binding phages and subsequent detection on the ATR-FTIR biosensor. Following the selection of the top two candidates via Phage-ELISA, the peptides were synthesized and designated as C1-2 and H1-2. These peptides, along with the control antibody (anti-HM), were immobilized on magnetic beads to detect SE in isolated colonies and chicken carcasses. We then utilized an ATR-FTIR biosensor for sample detection, aided by artificial intelligence (AI). The C1-2 peptide exhibited the most promising results, displaying high sensitivity (100%), specificity (91.67%), and an AUC (99.2%) in colonies isolated from SE. For carcass samples, the H1-2 peptide exhibited superior sensitivity (88.57%), specificity (75%), and AUC (76.5%) values compared to C1-2, indicating its potential for implementation in serial tests such as screening. In the second chapter, we combine ATR-FTIR supported by intelligence algorithms to detect SE in pure colony samples. Infrared (IR) spectra were recorded from five Salmonella serotypes [(SE, S. Gallinarum (SG), S. Typhimurium (ST), S. Heidelberg (SH), and S. Dublin (SD)] and the data was randomly split between training data (158 samples) and external validation data (118 samples) to build the Salmonella database. he algorithm models with the best predictive performance were Random Forest, Support Vector Machine (SVM), and Logistic Regression for test data (external validation). All models achieved a high accuracy value of 97.46%. Considering an attractive test to detect Salmonella as one that presents the best sensitivity, specificity, and area under the curve values, the Random Forest model (94.74%, 97.98%, and 99.7% respectively) and SVM (94.74%, 97.98%, and 99.6% respectively) were deemed by this study as the most effective in distinguishing SE from other Salmonella serovars. The dataset from this doctoral thesis suggests that the development of a rapid and sustainable biosensor, supported by artificial intelligence algorithms, along with the selection of molecules using Phage display technology integrated into immunoenzymatic tests, holds significant potential for Salmonella detection.
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024-07-19T13:31:38Z
2024-07-19T13:31:38Z
2024-03-27
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv COUTO, Bruna Patricia. Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes. 2024. 120 f. Tese (Doutorado em Imunologia e Parasitologia Aplicadas) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41714
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210
identifier_str_mv COUTO, Bruna Patricia. Desenvolvimento de biossensor para controle de Salmonella Enteritidis baseado em espectroscopia e inteligência artificial associada ou não a biomarcadores ligantes. 2024. 120 f. Tese (Doutorado em Imunologia e Parasitologia Aplicadas) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210
url https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41714
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.210
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/
eu_rights_str_mv embargoedAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Imunologia e Parasitologia Aplicadas
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Imunologia e Parasitologia Aplicadas
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFU
instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
instname_str Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron_str UFU
institution UFU
reponame_str Repositório Institucional da UFU
collection Repositório Institucional da UFU
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
repository.mail.fl_str_mv diinf@dirbi.ufu.br
_version_ 1813711424035225600