Пищевой патоген Escherichia coli O157 вызывает примерно 73 000 заболеваний и 60 смертей ежегодно в Соединенных Штатах. По мнению исследователей Массачусетского технологического института, которые предложили новое возможное решение, более совершенные тесты на безопасность могут помочь избежать некоторых заболеваний, вызываемых этим штаммом кишечной палочки и другими вредными бактериями.
Новый тест Массачусетского технологического института основан на новом типе капель жидкости, которые могут связываться с бактериальными белками. Это взаимодействие, которое можно обнаружить невооруженным глазом или с помощью смартфона, может предложить гораздо более быструю и дешевую альтернативу существующим тестам на безопасность пищевых продуктов.
«Это совершенно новый способ восприятия», - говорит Тимоти Свагер, профессор химии Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования. «То, что у нас есть, - это то, что может быть намного дешевле, с низкой стоимостью входа».
Qifan Zhang, аспирант Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале ACS Central Science. Другими авторами являются Сухол Савагатруп, постдоктор Массачусетского технологического института; Питер Зеебергер, директор Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Германии; и Паулина Каплонек, аспирант Института Макса Планка.
Обнаружение бактерий
Два года назад лаборатория Свагера разработала способ легкого создания сложных капель, включая капли, называемые эмульсиями Януса. Эти капли Януса состоят из двух полусфер одинакового размера, одна из которых сделана из фторуглерода, а другая - из углеводорода. Фторуглерод плотнее углеводорода, поэтому, когда капли оседают на поверхность, половина фторуглерода всегда находится внизу.
Исследователи решили использовать эти капли в качестве сенсоров из-за их уникальных оптических свойств. В своем естественном состоянии капли Януса прозрачны, если смотреть сверху, но они кажутся непрозрачными, если смотреть сбоку, из-за того, как свет преломляется, проходя через капли.
Чтобы превратить капли в сенсоры, исследователи разработали молекулу поверхностно-активного вещества, содержащую сахар маннозы, для самосборки на границе углеводород-вода, которая составляет верхнюю половину поверхности капли. Эти молекулы могут связываться с белком, называемым лектином, который находится на поверхности некоторых штаммов кишечной палочки. При наличии кишечной палочки капли прикрепляются к белкам и слипаются. Это выводит частицы из равновесия, так что свет, падающий на них, рассеивается во многих направлениях, и капли становятся непрозрачными, если смотреть сверху.
Мы используем естественное молекулярное распознавание, которое используют эти патогены. Они распознают друг друга с помощью этих слабых схем связывания углеводов и лектинов, - говорит Свагер. - Мы воспользовались мультивалентностью капель, чтобы увеличить аффинность связывания, и это сильно отличается от того, что используют другие датчики».
Чтобы продемонстрировать, как эти капли можно использовать для распознавания, исследователи поместили их в чашку Петри поверх QR-кода, который можно сканировать с помощью смартфона. При наличии кишечной палочки капли слипаются, и QR-код невозможно прочитать.
Быстрее и дешевле
Текущие испытания на безопасность пищевых продуктов часто включают помещение образцов пищевых продуктов в чашку для культивирования, чтобы увидеть, не образуются ли вредные бактериальные колонии, но этот процесс занимает от двух до трех дней. Более быстрые методы, основанные на амплификации бактериальной ДНК или взаимодействии антител с бактериями, дороги и требуют специальных инструментов.
Команда Массачусетского технологического института надеется адаптировать свою новую технологию к массивам небольших лунок, каждая из которых содержит капли, настроенные для обнаружения разных патогенов и связанные с другим QR-кодом. Это может обеспечить быстрое и недорогое обнаружение загрязнения с помощью только смартфона.
«Большое преимущество нашего устройства в том, что вам не нужны специальные инструменты и техническая подготовка, чтобы сделать это», - говорит Чжан. «Это может позволить людям с фабрики перед отправкой еды сканировать и тестировать ее, чтобы убедиться, что она безопасна».
В настоящее время исследователи работают над оптимизацией подготовки образцов пищевых продуктов, чтобы их можно было помещать в лунки с каплями. Они также планируют создать капли с более сложными сахарами, которые будут связываться с различными бактериальными белками. В этой статье исследователи использовали сахар, который связывается с непатогенным типом кишечной палочки, но они ожидают, что смогут адаптировать датчик к другим штаммам кишечной палочки и другим вредоносным бактериям.
«Вы можете представить себе создание действительно селективных капель для улавливания различных бактерий на основе сахара, который мы наносим на них», - говорит Савагатруп.
Исследователи также пытаются улучшить чувствительность датчика, который в настоящее время аналогичен существующим методам, но, по их мнению, потенциально может быть намного выше. Они надеются запустить компанию по коммерциализации технологии в течение следующих полутора лет.