Technische onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuwe methode ontwikkeld om dodelijke pathogene bacteriën te doden, inclusief listeria, in voedselverwerking en verpakking. Deze innovatie vormt een alternatief voor het gebruik van antibiotica of chemische decontaminatie in voedselvoorzieningssystemen.

Door de natuur als inspiratiebron te gebruiken, de onderzoekers hebben met succes cellytische enzymen bevestigd aan voedselveilige silica-nanodeeltjes, en creëerde een coating met het aangetoonde vermogen om listeria selectief te doden - een gevaarlijke door voedsel overgedragen bacterie die naar schatting 500 sterfgevallen per jaar veroorzaakt in de Verenigde Staten. De coating doodt listeria bij contact, zelfs bij hoge concentraties, binnen enkele minuten zonder andere bacteriën aan te tasten. De lytische enzymen kunnen ook worden gehecht aan zetmeelnanodeeltjes die vaak worden gebruikt in voedselverpakkingen.

Deze nieuwe methode is modulair, en door verschillende lytische enzymen te gebruiken, zou kunnen worden ontworpen om oppervlakken te creëren die selectief andere dodelijke bacteriën zoals miltvuur, zei Jonathan Dordick, vice-president voor onderzoek en de Howard P. Isermann Professor bij Rensselaer, die hielpen bij het leiden van de studie.

Dit onderzoek, die de expertise van chemische ingenieurs en materiaalwetenschappers combineerde, vond plaats in het Rensselaer Centre for Biotechnology and Interdisciplinary Studies en het Rensselaer Nanoscale Science and Engineering Centre for the Directed Assembly of Nanostructures. Samen met Dordick waren Rensselaer-collega's Ravi Kane, de PK Lashmet hoogleraar chemische en biologische technologie, en Linda Schadler, de Russell Sage Professor en associate dean voor academische zaken van de Rensselaer School of Engineering.

"In dit onderzoek, we hebben een nieuwe strategie geïdentificeerd voor het selectief doden van specifieke soorten bacteriën. Stabiele op enzymen gebaseerde coatings of sprays kunnen worden gebruikt in de voedselvoorzieningsinfrastructuur - van plukapparatuur tot verpakking tot bereiding - om listeria te doden voordat iemand de kans krijgt er ziek van te worden, " Zei Kane. "Het meest opwindende is dat we deze technologie kunnen aanpassen aan alle verschillende soorten schadelijke of dodelijke bacteriën."

De resultaten van het onderzoek worden gedetailleerd beschreven in het artikel "Enzyme-based Listericidal Nanocomposites, " vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten van de Nature Publishing Group.

Deze meest recente studie bouwt voort op het succes van het onderzoeksteam in 2010 om een ​​coating te maken voor het doden van methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), de bacteriën die verantwoordelijk zijn voor antibioticaresistente infecties. Terwijl de vorige coating bedoeld was voor gebruik op chirurgische apparatuur en ziekenhuismuren, de ontwikkeling van een listeria-dodende coating had de extra uitdaging om voedselveilig te zijn.

Dordick en het onderzoeksteam vonden hun antwoord in lytische enzymen. Virussen die bacteriën aantasten, genaamd fagen, injecteren hun genetisch materiaal in gezonde cellen. De faag neemt een gezonde cel over, en transformeert in feite de gastheercel in een kleine fabriek die meer fagen creëert. Tegen het einde van zijn levenscyclus, de oorspronkelijke faag creëert en geeft lytische enzymen af, die afbreken en gaten maken in de celwanden van de geïnfecteerde bacteriën. De vervaardigde fagen ontsnappen door deze gaten en gaan andere gezonde cellen infecteren.

De natuur gebruikte lytische enzymen om uit bacteriële cellen te breken, Dordick zei, en de onderzoekers werkten jarenlang om dezelfde lytische enzymen te exploiteren om in bacteriën zoals MRSA en listeria in te breken.

Om de listeria-dodende lytische enzymen te stabiliseren, genaamd Ply500, de onderzoekers bevestigden ze aan door de Amerikaanse Food and Drug Administration goedgekeurde silica-nanodeeltjes om een ​​ultradunne film te creëren. De onderzoekers gebruikten ook maltosebindend eiwit om Ply500 te hechten aan eetbare zetmeelnanodeeltjes die vaak worden gebruikt in voedselverpakkingen. Beide Ply500-formuleringen waren effectief in het binnen 24 uur doden van alle listeria bij concentraties tot 100, 000 bacteriën per milliliter - een aanzienlijk hogere concentratie dan normaal wordt aangetroffen in situaties met voedselverontreiniging.

"Zetmeel is een goedkope, eetbaar materiaal wordt vaak als poederlaag op vleesproducten in de verpakking gespoten. We hebben gebruik gemaakt van de natuurlijke affiniteit van een maltosebindend eiwit dat is gefuseerd met Ply500, en biologisch gebonden Ply500 aan zetmeel als een niet-antibioticum, niet-chemisch middel om de dreiging van listeria voor onze voedselvoorziening te verminderen, ' zei Schadler.

Ergens naar uitkijken, het onderzoeksteam is van plan om door te gaan met het onderzoeken van nieuwe methoden voor het benutten van de kracht van lytische enzymen om selectief schadelijke bacteriën te doden.