Den livsmedelsburna patogenen Escherichia coli O157 orsakar uppskattningsvis 73, 000 sjukdomar och 60 dödsfall varje år i USA. Bättre säkerhetstester kan hjälpa till att undvika vissa av de sjukdomar som orsakas av denna stam av E. coli och andra skadliga bakterier, enligt MIT-forskare som har kommit på en möjlig ny lösning.

Det nya MIT-testet är baserat på en ny typ av vätskedroppar som kan binda till bakterieproteiner. Denna interaktion, som kan upptäckas med blotta ögat eller en smartphone, skulle kunna erbjuda ett mycket snabbare och billigare alternativ till befintliga livsmedelssäkerhetstester.

"Det är ett helt nytt sätt att göra avkänning, " säger Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi vid MIT och seniorförfattaren till studien. "Vad vi har här är något som kan bli mycket billigare, med låga inträdeskostnader."

Qifan Zhang, en MIT doktorand, är huvudförfattare till tidningen, som står i journalen ACS Central Science . Andra författare är Suchol Savagatrup, en MIT postdoc; Peter Seeberger, chef för Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Tyskland; och Paulina Kaplonek, en doktorand vid Max Planck Institute.

Upptäcker bakterier

Två år sedan, Swagers labb utvecklade ett sätt att enkelt göra komplexa droppar inklusive droppar som kallas Janus-emulsioner. Dessa Janus-droppar består av två lika stora halvklot, en gjord av ett fluorkolväte och en gjord av ett kolväte. Fluorväte är tätare än kolväte, så när dropparna sitter på en yta, fluorkolhalvan är alltid i botten.

Forskarna bestämde sig för att utforska att använda dessa droppar som sensorer på grund av deras unika optiska egenskaper. I sitt naturliga tillstånd, Janus-dropparna är genomskinliga när de ses uppifrån, men de verkar ogenomskinliga om de ses från sidan, på grund av hur ljuset böjs när det färdas genom dropparna.

För att förvandla dropparna till sensorer, forskarna designade en ytaktiv molekyl innehållande mannossocker för att självmontera vid gränsytan mellan kolväte och vatten, som utgör den övre halvan av droppytan. Dessa molekyler kan binda till ett protein som kallas lektin, som finns på ytan av vissa stammar av E. coli. När E. coli är närvarande, dropparna fäster vid proteinerna och klumpas ihop sig. Detta slår partiklarna ur balans, så att ljuset som träffar dem sprids åt många håll, och dropparna blir ogenomskinliga när de ses uppifrån.

"Vi använder den inhemska molekylära igenkänningen som dessa patogener använder. De känner igen varandra med dessa svaga kolhydrat-lektinbindningsscheman." säger Swager. "Vi utnyttjade dropparnas multivalens för att öka bindningsaffiniteten, och det här är något som är väldigt annorlunda än vad andra sensorer använder."

För att visa hur dessa droppar kan användas för avkänning, forskarna placerade dem i en petriskål ovanpå en QR-kod som kan skannas med en smartphone. När E. coli är närvarande, dropparna klumpar ihop sig och QR-koden går inte att läsa.

Chad Mirkin, en professor i kemi vid Northwestern University och chef för International Institute for Nanotechnology, beskrev partiklarna som "en kraftfull ny klass av analyser."

"De är elegant enkla men förlitar sig på smarta nya metoder för att göra och manipulera emulsioner, säger Mirkin, som inte var involverad i forskningen. "Denna proof-of-concept demonstration för att upptäcka livsmedelsburna patogener är övertygande, eftersom de utgör en stor klass av analyter som definierar ett ouppfyllt behov i biosensorgemenskapen."

Snabbare och billigare

Nuvarande livsmedelssäkerhetstester innebär ofta att man placerar matprover i en odlingsskål för att se om det bildas skadliga bakteriekolonier, men den processen tar två till tre dagar. Snabbare tekniker baserade på bakteriell DNA-amplifiering eller antikropp-bakterieinteraktioner är dyra och kräver speciella instrument.

MIT-teamet hoppas kunna anpassa sin nya teknologi till uppsättningar av små brunnar, var och en innehåller droppar anpassade för att detektera en annan patogen och kopplade till en annan QR-kod. Detta kan möjliggöra snabba, billig upptäckt av kontaminering med endast en smartphone.

"Den stora fördelen med vår enhet är att du inte behöver specialiserade instrument och teknisk utbildning för att göra detta, " säger Zhang. "Det kan göra det möjligt för människor från fabriken, innan maten skickas, att skanna och testa det för att se till att det är säkert."

Forskarna arbetar nu med att optimera beredningen av matprovet så att de kan placeras i brunnarna med dropparna. De planerar också att skapa droppar anpassade med mer komplexa sockerarter som skulle binda till olika bakterieproteiner. I det här pappret, forskarna använde ett socker som binder till en icke-patogen typ av E. coli, men de förväntar sig att de skulle kunna anpassa sensorn till andra stammar av E. coli och andra skadliga bakterier.

"Du kan tänka dig att göra riktigt selektiva droppar för att fånga olika bakterier, baserat på sockret vi lägger på dem, " säger Savagatrup.

Forskarna försöker också förbättra sensorns känslighet, som för närvarande liknar befintliga tekniker men har potential att bli mycket större, de tror. De hoppas kunna starta ett företag för att kommersialisera tekniken inom det närmaste och ett halvt år.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.