De door voedsel overgedragen ziekteverwekker Escherichia coli O157 veroorzaakt naar schatting 73, 000 ziekten en 60 sterfgevallen per jaar in de Verenigde Staten. Betere veiligheidstests kunnen sommige ziekten helpen voorkomen die door deze stam van E. coli en andere schadelijke bacteriën worden veroorzaakt, volgens MIT-onderzoekers die met een mogelijke nieuwe oplossing zijn gekomen.

De nieuwe MIT-test is gebaseerd op een nieuw type vloeistofdruppel die kan binden aan bacteriële eiwitten. Deze interactie, die met het blote oog of een smartphone kan worden gedetecteerd, zou een veel sneller en goedkoper alternatief kunnen bieden voor bestaande voedselveiligheidstesten.

"Het is een geheel nieuwe manier om te voelen, " zegt Timothy Swager, de John D. MacArthur Professor of Chemistry aan het MIT en de senior auteur van de studie. "Wat we hier hebben, is iets dat enorm goedkoper kan zijn, met lage instapkosten."

Qifan Zhang, een MIT-afgestudeerde student, is de hoofdauteur van het artikel, die in het journaal verschijnt ACS Centrale Wetenschap . Andere auteurs zijn Suchol Savagatrup, een MIT-postdoc; Peter Seeberger, directeur van het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces in Duitsland; en Paulina Kaplonek, een afgestudeerde student aan het Max Planck Instituut.

Bacteriën detecteren

Twee jaar geleden, Swager's lab ontwikkelde een manier om gemakkelijk complexe druppeltjes te maken, waaronder druppeltjes die Janus-emulsies worden genoemd. Deze Janus-druppeltjes bestaan ​​uit twee even grote hemisferen, een gemaakt van een fluorkoolstof en een gemaakt van een koolwaterstof. Fluorkoolstof is dichter dan koolwaterstof, dus als de druppels op een oppervlak zitten, de fluorkoolstofhelft bevindt zich altijd onderaan.

De onderzoekers besloten om deze druppeltjes als sensoren te gaan gebruiken vanwege hun unieke optische eigenschappen. In hun natuurlijke staat, de Janus-druppels zijn van bovenaf gezien transparant, maar ze lijken ondoorzichtig als ze vanaf de zijkant worden bekeken, vanwege de manier waarop licht buigt als het door de druppels gaat.

Om van de druppeltjes sensoren te maken, de onderzoekers ontwierpen een oppervlakteactieve molecule die mannosesuiker bevat om zichzelf te assembleren op het grensvlak van koolwaterstof en water, die de bovenste helft van het druppeloppervlak vormt. Deze moleculen kunnen binden aan een eiwit dat lectine wordt genoemd, die wordt gevonden op het oppervlak van sommige stammen van E. coli. Wanneer E. coli aanwezig is, de druppeltjes hechten aan de eiwitten en worden samengeklonterd. Hierdoor raken de deeltjes uit balans, zodat het licht dat erop valt, zich in vele richtingen verspreidt, en de druppels worden ondoorzichtig van bovenaf bekeken.

"We gebruiken de natieve moleculaire herkenning die deze pathogenen gebruiken. Ze herkennen elkaar met deze zwakke koolhydraat-lectinebindingsschema's." zegt Swager. "We hebben gebruik gemaakt van de multivalentie van de druppeltjes om de bindingsaffiniteit te verhogen, en dit is iets dat heel anders is dan wat andere sensoren gebruiken."

Om te demonstreren hoe deze druppels kunnen worden gebruikt voor detectie, de onderzoekers plaatsten ze in een petrischaaltje bovenop een QR-code die kan worden gescand met een smartphone. Wanneer E. coli aanwezig is, de druppeltjes klonteren samen en de QR-code kan niet worden gelezen.

Tsjaad Mirkin, een professor in de chemie aan de Northwestern University en directeur van het International Institute for Nanotechnology, beschreef de deeltjes als "een krachtige nieuwe klasse van testen."

"Ze zijn elegant eenvoudig, maar vertrouwen op slimme nieuwe benaderingen voor het maken en manipuleren van emulsies, " zegt Mirkin, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Deze proof-of-concept-demonstratie bij het detecteren van door voedsel overgedragen pathogenen is overtuigend, omdat ze een belangrijke klasse van analyten vormen die een onvervulde behoefte in de biosensorgemeenschap definieert."

Sneller en goedkoper

Huidige voedselveiligheidstesten omvatten vaak het plaatsen van voedselmonsters in een kweekschaal om te zien of er zich schadelijke bacteriekolonies vormen, maar dat proces duurt twee tot drie dagen. Snellere technieken op basis van bacteriële DNA-amplificatie of antilichaam-bacterie-interacties zijn duur en vereisen speciale instrumenten.

Het MIT-team hoopt zijn nieuwe technologie aan te passen in arrays van kleine putten, elk met druppeltjes die zijn aangepast om een ​​ander pathogeen te detecteren en zijn gekoppeld aan een andere QR-code. Dit zou een snelle, goedkope detectie van besmetting met alleen een smartphone.

"Het grote voordeel van ons apparaat is dat je geen gespecialiseerde instrumenten en technische training nodig hebt om dit te doen, " zegt Zhang. "Dat kan mensen van de fabriek, voordat u het voedsel verzendt, om het te scannen en te testen om er zeker van te zijn dat het veilig is."

De onderzoekers werken nu aan het optimaliseren van de bereiding van voedselmonsters, zodat ze in de putjes met de druppeltjes kunnen worden geplaatst. Ze zijn ook van plan om druppeltjes te maken die zijn aangepast met complexere suikers die zich aan verschillende bacteriële eiwitten zouden binden. In deze krant, de onderzoekers gebruikten een suiker die bindt aan een niet-pathogeen type E. coli, maar ze verwachten dat ze de sensor kunnen aanpassen aan andere stammen van E. coli en andere schadelijke bacteriën.

"Je kunt je voorstellen dat je heel selectieve druppeltjes maakt om verschillende bacteriën op te vangen, op basis van de suiker die we erop doen, ' zegt Savagatrup.

Ook proberen de onderzoekers de gevoeligheid van de sensor te verbeteren, die momenteel vergelijkbaar is met bestaande technieken, maar het potentieel heeft om veel groter te zijn, zij geloven. Ze hopen binnen anderhalf jaar een bedrijf te lanceren om de technologie te commercialiseren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.