Il patogeno alimentare Escherichia coli O157 provoca circa 73, 000 malattie e 60 decessi ogni anno negli Stati Uniti. Migliori test di sicurezza potrebbero aiutare a evitare alcune delle malattie causate da questo ceppo di E. coli e altri batteri nocivi, secondo i ricercatori del MIT che hanno escogitato una possibile nuova soluzione.

Il nuovo test del MIT si basa su un nuovo tipo di gocciolina liquida che può legarsi alle proteine ​​batteriche. Questa interazione, che può essere rilevato sia ad occhio nudo che su uno smartphone, potrebbe offrire un'alternativa molto più rapida ed economica ai test di sicurezza alimentare esistenti.

"È un modo nuovo di zecca di fare rilevamento, "dice Timothy Swager, il John D. MacArthur Professor of Chemistry al MIT e l'autore senior dello studio. "Quello che abbiamo qui è qualcosa che può essere enormemente più economico, con bassi costi di ingresso."

Qifan Zhang, uno studente laureato del MIT, è l'autore principale del documento, che appare sul giornale Scienze Centrali ACS . Altri autori sono Suchol Savagatrup, un postdottorato al MIT; Peter Seeberger, direttore del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Germania; e Paulina Kaplonek, uno studente laureato al Max Planck Institute.

Rilevare i batteri

Due anni fa, Il laboratorio di Swager ha sviluppato un modo per creare facilmente goccioline complesse, comprese le goccioline chiamate emulsioni di Janus. Queste goccioline di Giano sono costituite da due emisferi di uguali dimensioni, uno fatto di un fluorocarburo e uno fatto di un idrocarburo. Il fluorocarburo è più denso dell'idrocarburo, quindi quando le goccioline si posano su una superficie, la metà in fluorocarbon è sempre in basso.

I ricercatori hanno deciso di esplorare l'utilizzo di queste goccioline come sensori a causa delle loro proprietà ottiche uniche. Nel loro stato naturale, le goccioline di Giano sono trasparenti se viste dall'alto, ma appaiono opachi se visti di lato, a causa del modo in cui la luce si piega mentre viaggia attraverso le goccioline.

Per trasformare le goccioline in sensori, i ricercatori hanno progettato una molecola tensioattiva contenente zucchero mannosio da autoassemblare all'interfaccia idrocarburi-acqua, che costituisce la metà superiore della superficie della goccia. Queste molecole possono legarsi a una proteina chiamata lectina, che si trova sulla superficie di alcuni ceppi di E. coli. Quando è presente E. coli, le goccioline si attaccano alle proteine ​​e si aggregano insieme. Questo fa perdere l'equilibrio alle particelle, così che la luce che li colpisce si disperde in molte direzioni, e le goccioline diventano opache se viste dall'alto.

"Stiamo usando il riconoscimento molecolare nativo utilizzato da questi agenti patogeni. Si riconoscono a vicenda con questi deboli schemi di legame carboidrati-lectina". Swager dice. "Abbiamo sfruttato la multivalenza delle goccioline per aumentare l'affinità di legame, e questo è qualcosa di molto diverso da quello che usano altri sensori."

Per dimostrare come queste goccioline potrebbero essere utilizzate per il rilevamento, i ricercatori li hanno inseriti in una capsula di Petri sopra un codice QR che può essere scansionato con uno smartphone. Quando è presente E. coli, le goccioline si raggruppano e il codice QR non può essere letto.

Chad Mirkin, professore di chimica alla Northwestern University e direttore dell'International Institute for Nanotechnology, descrisse le particelle come "una nuova potente classe di saggi".

"Sono elegantemente semplici ma si basano su nuovi approcci intelligenti per creare e manipolare emulsioni, "dice Mirkin, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questa dimostrazione di prova nel rilevamento di agenti patogeni di origine alimentare è convincente, in quanto costituiscono una classe importante di analiti che definisce un'esigenza insoddisfatta nella comunità dei biosensori".

Più veloce ed economico

Gli attuali test di sicurezza alimentare spesso comportano il posizionamento di campioni di cibo in un piatto di coltura per vedere se si formano colonie batteriche dannose, ma quel processo richiede due o tre giorni. Tecniche più rapide basate sull'amplificazione del DNA batterico o sulle interazioni anticorpo-batteri sono costose e richiedono strumenti speciali.

Il team del MIT spera di adattare la sua nuova tecnologia in matrici di piccoli pozzi, ciascuno contenente goccioline personalizzate per rilevare un diverso agente patogeno e collegate a un diverso codice QR. Ciò potrebbe consentire una rapida, rilevamento economico della contaminazione utilizzando solo uno smartphone.

"Il grande vantaggio del nostro dispositivo è che non hai bisogno di strumenti specializzati e formazione tecnica per farlo, " Zhang dice. "Questo può consentire alle persone della fabbrica, prima di spedire il cibo, per scansionarlo e testarlo per assicurarti che sia sicuro."

I ricercatori stanno ora lavorando per ottimizzare la preparazione dei campioni di cibo in modo che possano essere inseriti nei pozzetti con le goccioline. Hanno anche in programma di creare goccioline personalizzate con zuccheri più complessi che si legherebbero a diverse proteine ​​batteriche. In questo documento, i ricercatori hanno usato uno zucchero che si lega a un tipo non patogeno di E. coli, ma si aspettano di poter adattare il sensore ad altri ceppi di E. coli e altri batteri nocivi.

"Potresti immaginare di creare goccioline davvero selettive per catturare diversi batteri, in base allo zucchero che ci mettiamo sopra, " dice Savagatrup.

I ricercatori stanno anche cercando di migliorare la sensibilità del sensore, che attualmente è simile alle tecniche esistenti ma ha il potenziale per essere molto maggiore, loro credono. Sperano di lanciare una società per commercializzare la tecnologia entro il prossimo anno e mezzo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.