Biosensoren detecteren allergenen, toxines en DNA van micro-organismen op de productiesite

Productielijnen laten een steeds snellere en efficiëntere productie van levensmiddelen toe.  Bijgevolg wordt ook van kwaliteitscontroles verwacht dat ze sneller en accurater verlopen.  Interessant in dit verband is dat een nieuwe generatie biosensoren zich aandient voor het opsporen van allergenen, toxines en DNA van micro-organismen op productiesites.  Momenteel staat er zelfs een prototype ter beschikking van Vlaamse voedingsbedrijven. 

Nieuwe generatie biosensoren richt zich op toepassingen in voeding

De laatste jaren heeft onderzoek en ontwikkeling naar biosensoren (zie STW 08/02/2007) een hoge vlucht genomen dankzij talrijke klinisch-diagnostische toepassingen. Eén van de meest succesvolle en geavanceerde biosensor technologieën is ‘surface plasmon resonance’ (SPR, zie verder). Hoewel SPR- biosensoren toegepast zouden kunnen worden om snel, gevoelig en kwantitatief allergenen, toxines en DNA van micro-organismen op te sporen in allerlei voedingsstalen, worden deze systemen slechts zelden gebruikt de voedingsindustrie.  De meeste commercieel beschikbare SPR platformen zijn omvangrijke instrumenten met technische, complexe en dure optische elementen die geoptimaliseerd werden met het oog op onderzoekstoepassingen en enkel bediend kunnen worden door gespecialiseerd personeel. Een nieuwe generatie SPR-biosensoren, ontwikkeld binnen de MeBioS Biosensorgroep aan de K.U.Leuven, brengt daar nu verandering in. 

De nieuwe sensoren maken gebruik van optische glasvezels als optisch draagvlak voor de SPR technologie ter vervanging van de klassieke ‘prisma’ benadering.  Deze ‘fiber’-optische SPR sensoren worden via een gevorkte vezel gekoppeld aan een halogeen lichtbron en een geminiaturiseerde spectrofotometer (Figuur 1).

 Figuur 1: Voorbeeld van een optische SPR sensorprobe (links) en een schema van het biosensorsysteem   (Bron: Pollet al., 2010)

De optische vezel SPR sensoren zijn niet alleen gevoelig en accuraat, maar zijn tevens compact, betaalbaar en meer gebruiksvriendelijk.  Daarbij leent het systeem zich uitstekend tot multiplexing en behoren hoge doorvoermetingen dus tot de mogelijkheden.

De MeBioS Biosensorgroep aan de K.U.Leuven valideerde het biosensorsysteem reeds voor de detectie en kwantificatie van DNA en allergenen in reële voedingsstalen.  Zo werden de mogelijkheden van het systeem bijvoorbeeld uitgetest voor detectie van pindanoot allergeen Ara h1 in verschillende chocolade stalen.  Dit is één van de belangrijkste voedselallergenen die bovendien hitte resistent is en dus voedingsprocessing ‘overleeft’.  De sensor probe bleek zeer selectief het Ara h1 allergeen te herkennen met gevoeligheden tot 9 µg/ml.  De detectielimiet kon verder verbeterd worden door superparamagnetische nanobeads te gebruiken om Ara h1 uit de voedingsmatrix te vissen en te concentreren.  Daardoor kwam de detectielimiet op 0.09 µg/ml te liggen (Figuur 2).  De optische vezel SPR sensor probes werden tot 50 maal toe probleemloos  hergebruikt na een 2 min spoeling in een licht zure glycine buffer. 

 Figuur 2: Detectie experiment van verschillende hoeveelheden Ara h1 in chocoladestalen op de klassieke manier (label-free) en daarna met gebruik van speciale nanobeads.  (Bron : Pollet et al., 2010)

De sensoren hebben dezelfde gevoeligheid als ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) maar werken veel sneller.  Dit komt voornamelijk omdat de optische vezel SPR sensor probe in staat is om de binding tussen Ara h1 en de receptor rechtstreeks te meten.   Een extra troef ten opzichte van ELISA is dat de meting kan worden opgevolgd in real-time.  

Innovatieve technologieën achter de optische vezel SPR biosensoren

Tijdens het onderzoek werd speciale aandacht besteed aan het optimaliseren van de oppervlaktechemie. De optische silicavezel werd bedekt met verschillende dunne laagjes bestaande uit respectievelijk titanium, gouden nanodeeltjes, gemixt polyethyleen glycol en DNA of proteïne gebaseerde receptoren. Deze complexe oppervlakte structuur zorgt ervoor dat de sensoren zeer specifiek zijn (vermijden van ongewenste interacties) en  uiterst stabiel. 

In aansluitend onderzoek werd de SPR sensorprobe ook gecombineerd met het gebruik van aptameren als stabiele en goedkope bioreceptor-moleculen (Pollet et al., 2009). Aptameren zijn synthetische, enkelstrengige stukjes DNA of RNA die de capaciteit hebben om specifiek te binden met een bepaalde doelmolecule (Figuur3). Vele wetenschapper beschouwen ze als de bioreceptoren van de toekomst. Hoewel het aptameer selectieproces uit een grote oligonucleotidenbibliotheek  bijzonder moeilijk is,  werden er binnen de MeBioS biosensorgroep toch al enkele successen geboekt. (zie STW 11/12/2008 en STW 12/11/2009).   

Figuur 3: Voorbeeld van een specifieke binding van een allergeen met een DNA aptameer (Bron STW 11/12/2008)

Toegankelijke sensor voor voedingsbedrijven in Vlaanderen

Benieuwd wat deze technologie kan op uw grondstoffen, tussenproducten of eindproducten?  Ziet u mogelijkheden in een verbeterde, snellere kwaliteitscontrole en dus een sluitend kwaliteitssysteem en correcte productetikettering?  Weet dan dat u voor een test met deze technologie niet ver hoeft te lopen.  In samenwerking met de Onderzoeksgroep MeBioS van de K.U.Leuven werkt Flanders’ FOOD momenteel immers een projectvoorstel (‘Sensors For Food’ genaamd) uit met als doel om samen met voedingsbedrijven ondermeer optische vezel sensoren te evalueren, optimaliseren en valideren als toepasbare oplossing voor hun noden en uitdagingen. 

Voedingsbedrijven zijn momenteel welkom voor vrijblijvend overleg, advies en het laten uitvoeren van preliminaire testjes met een reeds beschikbaar prototype systeem om het project zo goed mogelijk af te stemmen op hun vragen en opportuniteiten. 

Neem hiervoor gerust contact op met: 

-          Jeroen Lammertyn, MeBioS - K.U.Leuven (Jeroen.Lammertyn@biw.kuleuven.be, 016 32 14 59); of

-          Steven Van Campenhout, Flanders’ FOOD (steven.vancampenhout@flandersfood.com, 02 550 17 44)

Bronnen

- Pollet J, Delport F, Janssen KPF, Jans K, Maes G, Pfeiffer H, Wevers M, Lammertyn J.  2009.  Fiber optic SPR biosensing of DNA hybridization and DNA-protein interactions.  Biosensors and Bioelectronics, 25, 864-869. 

- Pollet J, Delport F, Verbruggen B, Janssen KPF, Lammertyn J.  2010.  Peanut allergen detection with fiber optic SPR.  Presentatie op Biosensors 2010, 26-28 mei 2010, Glasgow. 

- Van Campenhout S.  2010.  Nieuwe sensortypes bieden nieuwe mogelijkheden voor voedselveiligheid, -kwaliteit en –processing.  Toelichting case study op Flanders’ FOOD Technology Day 29 september 2010, Brussel. 

Nuttige links

 STW artikel: Wat kunnen we verwachten van biosensoren?

 STW artikel: Opsporen van voedselallergenen: snel en accuraat met optische biosensoren

STW artikel: Aptasensor voor de detectie van pindanootallergenen in voeding

 www.biosensors.be  

K.U.Leuven kennisplatform “functional coatings in advanced optical sensors”