Ny teknologi kan tilbyde billigere, hurtigere mad test

Det fødevarebårne patogen Escherichia coli O157 forårsager anslået 73, 000 sygdomme og 60 dødsfald hvert år i USA. Bedre sikkerhedstest kan hjælpe med at undgå nogle af sygdommene forårsaget af denne stamme af E. coli og andre skadelige bakterier, ifølge MIT-forskere, der er kommet med en mulig ny løsning.

Den nye MIT-test er baseret på en ny type væskedråber, der kan binde til bakterielle proteiner. Denne interaktion, som kan detekteres med enten det blotte øje eller en smartphone, kunne tilbyde et meget hurtigere og billigere alternativ til eksisterende fødevaresikkerhedstest.

"Det er en helt ny måde at lave sansning på, " siger Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi ved MIT og seniorforfatteren til undersøgelsen. "Det, vi har her, er noget, der kan være enormt billigere, med lave adgangsomkostninger."

Qifan Zhang, en MIT kandidatstuderende, er hovedforfatter af papiret, som står i journalen ACS Central Science . Andre forfattere er Suchol Savagatrup, en MIT postdoc; Peter Seeberger, direktør for Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Tyskland; og Paulina Kaplonek, en kandidatstuderende ved Max Planck Institute.

Påvisning af bakterier

To år siden, Swagers laboratorium udviklede en måde til nemt at lave komplekse dråber inklusive dråber kaldet Janus-emulsioner. Disse Janus-dråber består af to lige store halvkugler, en lavet af et fluorcarbon og en lavet af et kulbrinte. Fluorcarbon er tættere end kulbrinte, så når dråberne sidder på en overflade, fluorcarbon-halvdelen er altid i bunden.

Forskerne besluttede at udforske at bruge disse dråber som sensorer på grund af deres unikke optiske egenskaber. I deres naturlige tilstand, Janus-dråberne er gennemsigtige, når de ses ovenfra, men de virker uigennemsigtige, hvis de ses fra siden, på grund af den måde, lyset bøjer på, når det bevæger sig gennem dråberne.

For at forvandle dråberne til sensorer, forskerne designet et overfladeaktivt molekyle indeholdende mannosesukker til at samle sig selv ved grænsefladen mellem kulbrinte og vand, som udgør den øverste halvdel af dråbeoverfladen. Disse molekyler kan binde sig til et protein kaldet lectin, som findes på overfladen af ​​nogle stammer af E. coli. Når E. coli er til stede, dråberne sætter sig fast på proteinerne og bliver klumpet sammen. Dette slår partiklerne ud af balance, så lyset, der rammer dem, spredes i mange retninger, og dråberne bliver uigennemsigtige, når de ses fra oven.

"Vi bruger den native molekylære genkendelse, som disse patogener bruger. De genkender hinanden med disse svage kulhydrat-lektin-bindingsskemaer." siger Swager. "Vi udnyttede dråbernes multivalens til at øge bindingsaffiniteten, og det er noget, der er meget anderledes end hvad andre sensorer bruger."

For at demonstrere, hvordan disse dråber kunne bruges til sansning, forskerne placerede dem i en petriskål oven på en QR-kode, der kan scannes med en smartphone. Når E. coli er til stede, dråberne klumper sig sammen, og QR-koden kan ikke læses.

Chad Mirkin, en professor i kemi ved Northwestern University og direktør for International Institute for Nanotechnology, beskrev partiklerne som "en stærk ny klasse af assays."

"De er elegant enkle, men er afhængige af smarte nye tilgange til fremstilling og manipulation af emulsioner, " siger Mirkin, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Denne proof-of-concept demonstration i at opdage fødevarebårne patogener er overbevisende, da de udgør en stor klasse af analytter, der definerer et udækket behov i biosensorsamfundet."

Hurtigere og billigere

Nuværende fødevaresikkerhedstest involverer ofte at placere fødevareprøver i en kulturskål for at se, om der dannes skadelige bakteriekolonier, men den proces tager to til tre dage. Hurtigere teknikker baseret på bakteriel DNA-amplifikation eller antistof-bakterie-interaktioner er dyre og kræver specielle instrumenter.

MIT-teamet håber at tilpasse sin nye teknologi til rækker af små brønde, hver indeholder dråber tilpasset til at detektere et andet patogen og knyttet til en anden QR-kode. Dette kunne muliggøre hurtige, billig påvisning af kontaminering kun ved brug af en smartphone.

"Den store fordel ved vores enhed er, at du ikke behøver specialiserede instrumenter og teknisk træning for at gøre dette, " siger Zhang. "Det kan gøre det muligt for folk fra fabrikken, før afsendelse af maden, at scanne og teste det for at sikre, at det er sikkert."

Forskerne arbejder nu på at optimere madprøveforberedelsen, så de kan placeres i brøndene med dråberne. De planlægger også at skabe dråber tilpasset med mere komplekse sukkerarter, der vil binde til forskellige bakterielle proteiner. I denne avis, forskerne brugte et sukker, der binder sig til en ikke-patogen type E. coli, men de forventer, at de kunne tilpasse sensoren til andre stammer af E. coli og andre skadelige bakterier.

"Du kunne forestille dig at lave virkelig selektive dråber til at fange forskellige bakterier, baseret på det sukker, vi putter på dem, " siger Savagatrup.

Forskerne forsøger også at forbedre sensorens følsomhed, som i øjeblikket ligner eksisterende teknikker, men har potentialet til at blive meget større, de tror. De håber at lancere et firma, der skal kommercialisere teknologien inden for det næste halvandet år.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.