Wat kunnen we verwachten van biosensoren?

Biosensoren hebben meestal een medische bijklank. Stilaan maken ze ook hun opmars in de voedingsindustrie. Wim Laureyn, die het thema al aankaartte tijdens de Flanders' FOOD Technology Day op 8 november 2006, en Kristien Bonroy, beide Senior Scientists bij IMEC, geven een voorsmaakje van wat we kunnen verwachten.

© IMEC

Biosensoren voor een veilige voeding
Er is de laatste jaren heel wat te doen geweest rond de veiligheid van voedsel. Denken we maar aan de problematiek rond PCB's, dioxines, gekkekoeienziekte, mond- en klauwzeer, varkenspest of antibioticaresistentie. Hierdoor stijgt de vraag naar systemen die bepaalde biologische stoffen in voeding ter plaatse, snel, gevoelig en kwantitatief kunnen detecteren. Wim Laureyn: "Biosensoren kunnen hier zeker een antwoord bieden. Ze kunnen een handig, gemakkelijk en goedkoop alternatief zijn voor één van de meest gebruikte testen, de ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay)-test. Waar ELISA gebruik maakt van een passief substraat in combinatie met externe uitleesapparatuur, werkt een biosensor met een actief substraat. Met een biosensor meet je dus rechtstreeks de binding tussen de biologische stof en de receptor. Na typisch een half uur heb je het resultaat, terwijl ELISA-testen vaak een halve dag in beslag nemen. Je kan de metingen in real time uitvoeren, en je hebt geen gespecialiseerd personeel nodig."

Een betaalbaar systeem
Biosensoren hebben hun nut al bewezen in de medische wereld, maar de voedingsindustrie stelt andere eisen. Kristien Bonroy: "De moleculen die we in voeding willen detecteren, zoals dioxinemoleculen, zijn vrij klein. Dit vraagt een specifieke optimalisatie van het systeem. Daarbij mag het allemaal niet te veel kosten, wat voor het elektronische onderdeel van de biosensor niet evident is." IMEC [6] werkte de voorbije jaren aan een oplossing: de transmission plasmon biosensor [7]of TPB. De TPB is een door IMEC gepatenteerd, goedkoop en optisch vertaalsysteem dat bestaat uit een transparant substraat waarop nanodeeltjes (meestal goud of zilver) worden geïmmobiliseerd. Kristien Bonroy: "Met een lichtbron kijk je naar de absorptie van het licht door die nanodeeltjes. Op die deeltjes komen de receptoren die een bepaalde biologische stof kunnen binden. De binding met een bepaalde biologische stof zal de optische eigenschappen van de nanodeeltjes veranderen, waardoor je een andere lichtabsorptie meet. Dit geeft je informatie over de concentratie van de biologische stof in het staal. Je kan ook meerdere parameters meten door de biosensoren in een rooster, een microtiterplaat, te plaatsen." Om de werking van de TPB te verifiëren wordt er op IMEC aan de ontwikkeling van twee modelsystemen gewerkt: het detecteren van antibiotica in melk en het detecteren van ziekteverwekkers in voedsel.

Antibiotica in melk
Koemelk controleren op de aanwezigheid van antibiotica is belangrijk voor de algemene voedselveiligheid. De consument wil zuiver voedsel, zonder residuen, en zeker zonder antibiotica. De meest gebruikte testen zijn microbieel waarbij de groei van een bepaald type, in cultuur gebrachte, bacterie opgevolgd wordt. Als het staal een bepaalde concentratie aan antibiotica bevat, zullen de bacteriën zich niet meer of trager vermenigvuldigen. Maar deze methode is groepsspecifiek: de test geeft aan dat er antibioticum in het staal zit, maar zegt niet welk type. In samenwerking met K.U.Leuven en Universiteit Gent ontwikkelde IMEC een modelsysteem dat toelaat om een soort antibioticum, in dit geval ampicilline, te detecteren. Kristien Bonroy: "Ampicilline is een kleine molecule, en daarom werken we niet met een klassieke directe detectie, maar via een indirecte detectie met een ampicillinederivaat op het sensoroppervlak als herkenningssysteem. Het systeem toont aan dat we in staat zijn deze kleine moleculen te meten. Met een aangepaste receptor is het in principe ook bruikbaar voor andere soorten antibiotica." Wim Laureyn: Het voordeel ervan is vooral economisch. In plaats van alleen het eindproduct te meten en bijgevolg grote hoeveelheden te moeten afkeuren indien de test positief is, kan je in een vroeger stadium of zelfs tijdens het melken online screenen. Als er een teveel aan antibioticum gemeten wordt, kan je tijdig ingrijpen."

Ziekteverwekkers in voedsel
Momenteel werkt IMEC samen met CODA [8], het Centrum voor Onderzoek in Diergeneeskunde en Agrochemie, aan een tweede modelsysteem dat toelaat om EHEC (enterohemorragische E. coli) in voedsel te detecteren. EHEC is een ziekteverwekker die bijvoorbeeld diarree veroorzaakt. Een biosensor zou in principe de aanwezigheid van EHEC veel sneller kunnen bevestigen dan met de huidige microbiële testen mogelijk is. Wim Laureyn: "Hiervoor gebruiken we als receptor een EHEC-specifieke DNA-sequentie. Als het DNA uit het voedingsstaal hieraan bindt, dan wil dat zeggen dat het voedsel niet veilig is voor consumptie. Deze toepassing is technisch moeilijk, maar veelbelovend." Tim Stakenborg (CODA-werknemer die resideert bij IMEC): "Om biosensoren te ontwikkelen is expertise vereist van zowel microbiologen, medici, chemici als ingenieurs die samenwerken om de kloof tussen gevoelige sensoren en biologische toepassingen te overbruggen."

Reacties uit het veld
De presentatie over het gebruik van biosensoren in de voeding kreeg heel wat belangstelling tijdens de Flanders' FOOD Technology Day [9]. Toch relativeert Wim Laureyn: "Wij hebben in deze onderzoeksfase de werking van de TPB en zijn voordelen kunnen aantonen. Maar de voedingsindustrie wil meer, ze wil een volledig gevalideerd systeem dat in een bepaalde omgeving werkt en aan strenge eisen voldoet. In dat domein is er nog veel werk. Maar de positieve reacties zijn zeker een duwtje in de rug. Want dat biosensoren heel wat potentieel hebben, hebben ze al bewezen in de medische wereld." Kris Van de Voorde, Business Program Manager Vlaanderen bij IMEC: "Met de bijdrage van IMEC aan deze technologiedag binnen de voedingssector is het startschot gegeven voor toekomstige samenwerking tussen de voedings- en elektronica-industrie."

bron: IMEC InterConnect 23, februari 2007

(vanbavel@imec.be [10])
(stefan.coghe@flandersfood.com [11])

Artikel verschenen in de Foodgate STW nieuwsbrief [12].