Hero image

O projekcie

Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji (CLKP) jako lider reprezentujący konsorcjum w składzie: Warszawski Uniwersytet Medyczny (WUM), Uniwersytet Jagielloński (UJ), Pomorski Uniwersytet Medyczny (PUM) oraz firma ARDIGEN uzyskało dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju na realizację projektu o akronimie SMAFT (Soil Microbiome Analysis Forensic Tool), którego zadaniem jest wykorzystanie potencjału mikrobiomu gleby w kryminalistyce (DOB-BIO10/03/01/2019).

Ze względu na łatwość przenoszenia na butach, odzieży, narzędziach czy pojazdach gleba jest szczególnie cennym materiałem dowodowym pozwalającym łączyć podejrzanego lub przedmiot z określonym miejscem. Niestety, często informacje uzyskane za pomocą rutynowych analiz gleby, prowadzonych głównie w oparciu o jej cechy fizyko-chemiczne, nie pozwalają na weryfikację hipotez śledczych. Z tego powodu podejmowane są próby opracowywania metod identyfikacji gleby opartych na analizie DNA zasiedlających ją mikroorganizmów. Szacuje się, że w 1 gramie suchej gleby znajduje się średnio: 10 miliardów wirusów, 10 miliardów bakterii i archeonów (w tym 100 milionów promieniowców), po 1 milionie grzybów i glonów, 100 tysięcy pierwotniaków i 100 nicieni. Dodatkowo gleba może zawierać także fragmenty roślin a także inne niż nicienie bezkręgowce oraz pozakomórkowe kwasy nukleinowe. Wydaje się, że tak ogromna „biblioteka” DNA, w połączeniu z nowoczesnymi technologiami sekwencjonowania może w przyszłości okazać się równie przydatna do porównywania śladów gleby czy określania miejsca jej pochodzenia jak profile ludzkiego DNA do ustalania związku między śladami biologicznymi a podejrzanym. Obecnie dowody w postaci DNA mikrobiomu gleby nie są wykorzystywane rutynowo ani w dochodzeniach ani w sądach. Aby zmienić taki stan rzeczy konieczne jest wykazanie, że wnioskowanie statystyczne prowadzone w oparciu o analizy DNA mikrobiomu gleby jest wystarczająco rygorystyczne aby mogło być uznane przez sądy za dowód o odpowiednich podstawach naukowych. Według autorytetów w dziedzinie nauk kryminalistycznych potwierdzenie wiarygodności i skuteczności analiz mikrobiomu może być osiągnięte poprzez prowadzenie badań na odpowiednio licznych pulach próbek, tworzenie baz danych mikrobiomów pochodzących z różnych środowisk prowadzone w oparciu o jasno określone i dobrze udokumentowane procedury, doskonalenie narzędzi bioinformatycznych oraz poznanie dynamiki zmian czasowych i przestrzennych mikrobiomów.

Założenia projektu SMAFT, którego celem jest opracowanie innowacyjnego narzędzia do kryminalistycznej analizy mikrobiomu gleby, uwzględniają przedstawione powyżej wytyczne. Dane uzyskane z sekwencjonowania blisko 1000 próbek DNA mikrobiomów gleby będą podstawą do stworzenia systemu SMAFT, umożliwiającego identyfikację oraz ustalenie miejsca pochodzenia próbki gleby. Uzyskane z wykorzystaniem systemu SMAFT informacje będą mogły kierunkować, a tym samym przyśpieszać śledztwa w sprawach kryminalnych jak i związanych z atakami terrorystycznymi. System będzie mógł być także wykorzystywany w badaniach bioróżnorodności.

Badania zaplanowane w ramach projektu SMAFT podzielone są na etapy:

  1. Zebranie 960 próbek gleby, po 240 w okresie jesiennym, zimowym, wiosennym i letnim z 80 różnych lokalizacji na terenie Polski (po 3 w każdym miejscu).

    Wyboru miejsc pobrań próbek gleby dokonano na podstawie analizy informatycznej danych z pomiarów wykonanych we wszystkich stacjach hydrologiczno-meteorologicznych zlokalizowanych na terenie całej Polski obejmujących okres ostatnich 20 lat. Etap ten obejmuje również opracowanie szczegółowej metodyki pobierania próbek gleby, ich zabezpieczania i opisywania, wyznaczania miejsc pobrań i ich dokumentowania oraz transportu do laboratorium w odpowiednich warunkach.

  2. Izolacja DNA mikrobiomu z gleby.

    Przed przystąpieniem do realizacji zadania przeprowadzono badania pozwalające wytypować najskuteczniejszą metodę izolacji DNA z gleby w odniesieniu do ilości, czystości i jakości otrzymanego izolatu.

  3. Przygotowanie bibliotek NGS z uzyskanych izolatów DNA.

    W celu uzyskania jak najlepszej jakości bibliotek, o pożądanej długości fragmentów zoptymalizowano procedurę tworzenia bibliotek, zarówno na etapie fragmentacji DNA jak i amplifikacji. Długości fragmentów przygotowanych bibliotek będzie weryfikowana za pomocą elektroforezy kapilarnej, a stężenie DNA w bibliotekach oznaczane metodą fluorymetryczną.

  4. Sekwencjonowanie WGS (WGS, ang. whole genome sequencing) z zastosowaniem technologii SBS firmy Illumina® wykorzystującej sekwenator najnowszej generacji NovaSeq 6000 Illumina®.

    Zaplanowano uzyskanie od 80 do 100 milionów par odczytów 150 nukleotydowych fragmentów przypadających na pojedynczą próbkę gleby.

  5. Analiza danych.

    Otrzymane w etapie 4 dane będą analizowane za pomocą różnych narzędzi bioinformatycznych. Celem analizy jest wyłonienie optymalnego zestawu markerów (panelu identyfikacyjnego), który umożliwi ocenę składu mikrobiomu w próbce nieznanego pochodzenia i pozwoli na przyporządkowanie jej do określonej lokalizacji.

  6. Opracowanie, optymalizacja i walidacja celowanej metody NGS do analizy mikrobiomu gleby.

    Testowanie próbek będzie prowadzone w oparciu o wyselekcjonowane sekwencje genomowe zdefiniowane na etapie piątym. Sprawdzona zostanie kompatybilność wyników sekwencjonowania próbek gleby otrzymanych na etapie czwartym (głębokie sekwencjonowanie) z wynikami sekwencjonowania uzyskanymi dla opracowanego na tym etapie testu (sekwencjonowanie celowane) przeprowadzonego za pomocą kilku metod sekwencjonowania o średniej przepustowości. Wybrana zostanie optymalna technologia sekwencjonowania, która zostanie poddana walidacji, ze szczególnym uwzględnieniem specyfiki i ograniczeń występujących przy analizach kryminalistycznych.

  7. Stworzenie systemu informatycznego do analizy i interpretacji wyników uzyskiwanych za pomocą testu genetycznego i wybranej technologii NGS.

    Dane uzyskane z sekwencjonowania DNA mikrobiomów gleby zostaną umieszczone w bazie danych będącej elementem tworzonego systemu, stanowiąc „mapę” mikrobiomów gleb Polski. Dodatkowo w powstającym systemie zostanie zaimplementowane narzędzie do efektywnego przeszukiwania zasobów bazy i interpretacji wyników analiz. Uzyskiwane przy pomocy testu wyniki sekwencjonowania DNA wyizolowanego z próbki gleby o nieznanym pochodzeniu będą za pomocą stworzonego oprogramowania porównywane z bazą i przypisywane do najbardziej prawdopodobnej lokalizacji na mapie Polski. Ostatecznie powstanie kompletny system predykcyjny zawierający test identyfikujący społeczności bakteryjne mikrobiomu gleby i oprogramowanie pozwalające na interpretację otrzymanych za pomocą testu danych.

  8. Testowanie skuteczności działania stworzonego programu przy zachowaniu warunków zbliżonych do rzeczywistych oraz przygotowanie procedur SOP umożliwiających korzystanie z opracowanego systemu.

    Przeprowadzona zostanie ocena parametrów i poprawności działania programu. Dodatkowo opracowane zostaną wytyczne, procedury i instrukcje niezbędne do prowadzenia badań predykcyjnych i analiz porównawczych próbek DNA wyizolowanych z gleby a wykonywanych za pomocą systemu SMAFT.

Produktem końcowym projektu SMAFT będzie kompletny system predykcyjny przeznaczony do identyfikacji i ustalania miejsca pochodzenia próbek gleby na podstawie składu ich mikrobiomu.

Technologia

Do sekwencjonowania DNA mikrobiomów wyizolowanych z gleby zostaną wykorzystanie najbardziej zaawansowane technologie i najnowocześniejsze urządzenia z zakresu diagnostyki genetycznej. Zaplanowano uzyskanie od 80 do 100 milionów par odczytów 150 nukleotydowych fragmentów dla każdej z blisko 1000 próbek gleby.

Sekwencjonowanie przeprowadzone jest w technologii SBS (sequencing by synthesis) na sekwenatorach firmy Illumina: MiSeqFGx (jako sekwencjonowanie sprawdzające jakość bibliotek) oraz aparatem NovaSeq 600 do sekwencjonowania wysokoprzepustowego, umożliwiającego otrzymywanie do 6 Tb danych z jednego sekwencjonowania.

Zbieranie i dokumentowanie próbek gleby jest prowadzone z wykorzystaniem KoBoToolbox - narzędzia do zbierania i analizowania danych w oparciu o system GPS.

Konsorcjium

Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji

Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji (CLKP), jako instytut badawczy, prowadzi prace rozwojowe oraz badania naukowe w zakresie kryminalistyki i technik kryminalistycznych. W CLKP realizowane są polskie i międzynarodowe projekty badawcze, w efekcie których powstają narzędzia wspierające organy ścigania w walce z przestępczością (np. projekty: AEVITAS, NEXT czy VISAGE). Projekt SMAFT jest kolejnym projektem genetycznym, którego celem jest opracowanie nowego narzędzia do analizy śladów tym razem występujących w postaci próbek gleby. Kierownikiem projektu SMAFT jest Naczelnik Wydziału Rozwoju Naukowego CLKP nadkom. dr n. med. Renata Zbieć-Piekarska, autorka wielu publikacji naukowych z dziedziny kryminalistyki.

CLKP jako lider projektu stara się inspirować całe konsorcjum i wspólnie pokonywać wyzwania jakie niosą za sobą poszczególne zadania. Naszym celem jest zapewnienie realizacji głównego celu projektu, zgodnego z harmonogramem postępu prac projektowych oraz organizowanie dobrej współpracy w ramach konsorcjum.

Oprócz funkcji nadzorczych nad projektem Zespół CLKP odpowiada za przygotowywanie i sprawdzanie bibliotek do sekwencjonowania WGS oraz realizację końcowego etapu projektu związanego z walidacją ostatecznej wersji systemu SMAFT. Jest również zaangażowany w większość zadań realizowanego projektu merytorycznie i/lub prowadząc prace doświadczalne.

Pomorski Uniwersytet Medyczny

Zakład Genetyki Sądowej w Szczecinie Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie posiada wieloletnie doświadczenie w sprawach identyfikacji szczątków ludzkich pochodzących z różnych okresów historycznych. Badania prowadzone z zakresu antropologii sądowej, analizy dowodów rzeczowych oraz DNA jądrowego i mitochondrialnego prowadzone są przez zespół specjalistów z zakresu genetyki sądowej, antropologii sądowej oraz kryminalistyki. Kierownik Zakładu dr hab. Andrzej Ossowski jest pomysłodawcą i współtwórcą Polskiej Bazy Genetycznej Ofiar Totalitaryzmów a pracownicy są powoływani przez organy ścigania i sprawiedliwości do wykonywania prac ekshumacyjnych w kraju i za granicą oraz identyfikacji ofiar w miejscach katastrof. Z uwagi na duże doświadczenie w pracach terenowych Zespół PUM przeprowadza sezonowy zbiór próbek gleby z 80 miejsc na terenie Polski. Wykorzystywane są do tego współrzędne z urządzeń z funkcją GPS oraz aplikacja ewidencjonująca miejsca pobrania.

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Zakład Genetyki Medycznej prowadzi prace naukowo badawcze, działalność dydaktyczną oraz diagnostykę chorób o podłożu genetycznym. Badania dotyczą min. analizy czynników genetycznych w schorzeniach (alergicznych, autyzmie, chorobie Gravesa-Basedowa); odpowiadających za fenotyp u bliźniąt jednojajowych oraz badania eksomu. Jest to możliwe dzięki kompletnej infrastrukturze umożliwiającej prowadzenie prac w oparciu o platformy do zaawansowanej analizy sekwencji kwasów nukleinowych oraz wykwalifikowanemu zespołowi badawczemu. Kierownik Zakładu prof. dr hab. n. med. Rafał Płoski to autor ponad 100 prac opublikowanych w piśmiennictwie międzynarodowym prac z obszaru diagnostyki genetycznej nowotworów oraz zagadnień związanych z antropologią i identyfikacją osobniczą na potrzeby medycyny sądowej. Zespół WUM jest odpowiedzialny za etap związany z sekwencjonowaniem wysokoprzepustowym WGS DNA mikrobiomu środowiskowego pochodzącego z próbek gleby.

Uniwersytet Jagielloński

Małopolskie Centrum Biotechnologii (MCB) jest samodzielną jednostką naukową utworzoną przez Uniwersytet Jagielloński w Krakowie. MCB powstało jako projekt dofinansowany w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-13 mający na celu utworzenie interdyscyplinarnego ośrodka badawczego umożliwiającego wykonywanie kompleksowych badań na różnych poziomach funkcjonowania organizmu. W realizację projektu SMAFT zaangażowane są dwie grupy badawcze UJ-MCB: Laboratorium ds. Badań nad Zmiennością Genomu Ludzkiego oraz Bioinformatics Research Group.

Laboratorium ds. Badań nad Zmiennością Genomu Ludzkiego (MCB UJ) specjalizuje się w badaniu zmienności genetycznej człowieka, w tym epigenomu jak również związanych z człowiekiem mikroorganizmów. Pracownię tworzą ludzie, dla których praca jest pasją, z imponującym dorobkiem naukowym z zakresu m. in. predykcji wyglądu czy wieku na potrzeby kryminalistyki. Liderem Grupy jest prof. nadzw. dr hab. Wojciech Branicki biegły z zakresu genetyki sądowej, członek polskich i międzynarodowych towarzystw naukowych. Jest autorem wielu publikacji naukowych i podręczników związanych z predykcyjną analizą DNA i opracowywaniem narzędzi dochodzeniowo-śledczych wykorzystywanych na świecie w genetyce sądowej. Zespół prof. Branickiego odpowiada za etap izolacji mikrobiomu z gleby oraz testowanie i wybór technologii do celowanej analizy składu mikrobiomu gleby.

Bioinformatics Research Group (MCB UJ) kierowana przez dr hab. inż. Pawła Łabaja skupia się na rozwoju metod analizy danych w aktualnych wyzwaniach biomedycznych, ze szczególnym uwzględnieniem postępu transkryptomiki i metagenomiki na drodze do medycyny precyzyjnej. W tym zakresie Dr Łabaj odgrywa wiodącą rolę w konsorcjum SEQC koordynowanym przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (US FDA), zajmującym się benchmarkingiem technologii profilowania ekspresji genów na dużą skalę, w tym RNA-Seq. Dr Łabaj jest również aktywnym członkiem Międzynarodowego Konsorcjum MetaSUB, gdzie skupia się na analizie danych metagenomicznych z próbek środowiskowych w kontekście dobrostanu i zdrowia publicznego, jak również na umożliwieniu wykorzystania analizy mikrobiomu środowiskowego do celów kryminalistycznych. Współzałożyciel stowarzyszenia MetaSUB Europe Society. Zespół pod kierownictwem dr hab. inż. Pawła Łabaja jest odpowiedzialny za analizę danych metagenomicznych z sekwencjonowania DNA mikrobiomów próbek gleb oraz wytypowanie markerów wchodzących w skład panelu genetycznego do celowanej analizy mikrobiomu gleby, wchodzącego w skład systemu SMAFT.

ARDIGEN

Ardigen to polska firma bioinformatyczna, która wykorzystuje algorytmy sztucznej inteligencji w procesie opracowywania nowych terapii i leków innowacyjnych. Ardigen przyspiesza rozwój terapii dzięki zastosowaniu zaawansowanych technologii cyfrowych w badaniach dotyczących immunologii, mikrobiomu, jak również analizy obrazów biomedycznych. Dotychczas firma Ardigen wspomagała w realizacji projektów naukowo- badawczych oraz doktoratów wdrożeniowych Instytut Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu, Uniwersyteckie Centrum Klinicznym w Gdańsku, PORT (Polski Ośrodek Rozwoju Technologii - Sieć Badawcza Łukasiewicz) we Wrocławiu, Politechnikę Wrocławską, Akademię Górniczo Hutniczą w Krakowie, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie oraz Politechnikę Warszawską. Analiza składu mikrobiomu wymaga zastosowania zaawansowanych technik bioinformatycznych tak aby ogromne ilości danych uzyskanych z sekwencjonowania mogły zostać wielowymiarowo zinterpretowane. Ardigen zapewnia zaplecze bioinformatyczne oparte na metodach uczenia maszynowego i najnowocześniejszych algorytmach sztucznej inteligencji dzięki nowatorskiej mikrobiomowej platformie translacyjnej (Microbiome Translational Platform). W projekcie Zespół Ardigen odpowiada za opracowanie programu SMAFT, w tym bazy danych sekwencji WGS i algorytmu umożliwiającego wydajne przeszukiwanie jej zasobów.

Consortium icon

Grupy badawcze

Research icon

CLKP

Aleje Ujazdowskie 7
00-583 Warszawa
email: clkp@policja.gov.pl
https://clkp.policja.pl/
Wydział Rozwoju Naukowego
Renata Zbieć-Piekarska- Kierownik Wydziału Rozwoju Naukowego, Kierownik Projektu
Zakład Biologii
Agata Jagiełło
Anna Woźniak

PUM

Katedra Medycyny Sądowej
Zakład Genetyki Sądowej
70-111 Szczecin
al. Powstańców Wlkp. 72
email: zmedsad@pum.edu.pl
http://zms.pum.edu.pl/
Andrzej Ossowski - Kierownik Zakładu Genetyki Sądowej
Maria Szargut

WUM

Zakład Genetyki Medycznej
Centrum Biostruktury
Wydział Lekarski - Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego
Kampus Banacha
ul. A. Pawińskiego 3c
02-106 Warszawa
e-mail: rploski@wp.pl
https://genetyka.wum.edu.pl/
Rafał Płoski - Kierownik Zakładu Genetyki
Małgorzata Rydzanicz
Agnieszka Pollak
Piotr Stawiński

UJ- MCB

Laboratorium ds. Badań nad Zmiennością Genomu Ludzkiego
ul. Gronostajowa 7A
30-387 Kraków
https://mcb.uj.edu.pl/
e-mail: mcb@uj.edu.pl

  • Laboratorium ds. Badań nad Zmiennością Genomu Ludzkiegoo

    Wojciech Branicki – Lider Grupy
    Kamila Marszałek
    Kinga Herda

  • Bioinformatyka

    Paweł Łabaj – Lider Grupy
    Michał Kowalski
    Alina Frolova

ARDIGEN

ul. Podole 76
30-394 Kraków
https://ardigen.com/
hello@ardigen.com
Zespół pod kierownictwem
Kai Milanowskiej-Zabel

Kontakt

Imię

Nazwisko

Email

Wiadomość