食源性病原體大腸桿菌O157 在美國(guó)每年導(dǎo)致約 73,000 人患病和 60 人死亡。麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一種可能的新解決方案，他們表示，更好的安全測(cè)試可以幫助避免這種大腸桿菌菌株和其他有害細(xì)菌引起的一些疾病。
新的麻省理工學(xué)院測(cè)試基于一種可以與細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)合的新型液滴。這種可以通過(guò)肉眼或智能手機(jī)檢測(cè)到的相互作用可以為現(xiàn)有的食品安全測(cè)試提供更快、更便宜的替代方案。
“這是一種全新的傳感方式，”麻省理工學(xué)院約翰·D·麥克阿瑟化學(xué)教授、該研究的資深作者蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 說(shuō)。“我們?cè)谶@里擁有的東西可以大大便宜，入門(mén)成本也很低。”
麻省理工學(xué)院研究生張啟凡是該論文的主要作者，該論文發(fā)表在ACS Central Science 雜志上。其他作者是麻省理工學(xué)院博士后 Sumol Savagatrup；德國(guó)馬克斯普朗克膠體與界面研究所所長(zhǎng)Peter Seeberger；和馬克斯普朗克研究所的研究生 Paulina Kaplonek。
檢測(cè)細(xì)菌
兩年前，Swager 的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種輕松制造復(fù)雜液滴的方法，包括稱為Janus 乳液的液滴。這些 Janus 液滴由兩個(gè)大小相同的半球組成，一個(gè)由碳氟化合物制成，一個(gè)由碳?xì)浠衔镏瞥伞Ｌ挤衔锏拿芏缺忍細(xì)浠衔锎螅虼水?dāng)液滴位于表面時(shí)，碳氟化合物的一半始終位于底部。
研究人員決定探索使用這些液滴作為傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的光學(xué)特性。在自然狀態(tài)下，Janus 液滴從上方看是透明的，但從側(cè)面看卻是不透明的，因?yàn)楣饩€穿過(guò)液滴時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。
為了將液滴變成傳感器，研究人員設(shè)計(jì)了一種含有甘露糖的表面活性劑分子，可在碳?xì)浠衔?水界面自組裝，該界面構(gòu)成液滴表面的上半部分。這些分子可以與一種叫做凝集素的蛋白質(zhì)結(jié)合，這種蛋白質(zhì)存在于一些大腸桿菌菌株的表面。當(dāng)存在大腸桿菌時(shí)，液滴會(huì)附著在蛋白質(zhì)上并聚集在一起。這會(huì)使粒子失去平衡，因此擊中它們的光會(huì)向許多方向散射，從上方看時(shí)，液滴變得不透明。
“我們正在使用這些病原體使用的天然分子識(shí)別。它們通過(guò)這些弱碳水化合物-凝集素結(jié)合方案相互識(shí)別。” 斯瓦格說(shuō)。“我們利用液滴的多價(jià)性來(lái)增加結(jié)合親和力，這與其他傳感器使用的有很大不同。”
為了演示如何將這些液滴用于傳感，研究人員將它們放入培養(yǎng)皿中，上面有一個(gè)二維碼，可以用智能手機(jī)掃描。當(dāng)存在大腸桿菌時(shí)，液滴會(huì)聚集在一起，無(wú)法讀取 QR 碼。
西北大學(xué)化學(xué)教授兼國(guó)際納米技術(shù)研究所所長(zhǎng)查德·米爾金（Chad Mirkin）將這些粒子描述為“一種強(qiáng)大的新型分析方法”。
“它們非常簡(jiǎn)單，但依賴于巧妙的新方法來(lái)制造和操作乳液，”未參與這項(xiàng)研究的 Mirkin 說(shuō)。“這種檢測(cè)食源性病原體的概念驗(yàn)證演示令人信服，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了一類主要的分析物，定義了生物傳感器界未滿足的需求。”
更快更便宜
當(dāng)前的食品安全測(cè)試通常涉及將食品樣品放入培養(yǎng)皿中，以查看是否形成有害細(xì)菌菌落，但該過(guò)程需要兩到三天。基于細(xì)菌 DNA 擴(kuò)增或抗體-細(xì)菌相互作用的更快速的技術(shù)價(jià)格昂貴并且需要特殊的儀器。
麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)希望將其新技術(shù)應(yīng)用到小井陣列中，每個(gè)小井都包含定制的液滴，以檢測(cè)不同的病原體并鏈接到不同的二維碼。這可以僅使用智能手機(jī)就可以快速、廉價(jià)地檢測(cè)污染。
“我們?cè)O(shè)備的最大優(yōu)勢(shì)是您不需要專門(mén)的儀器和技術(shù)培訓(xùn)即可做到這一點(diǎn)，”張說(shuō)。“這可以讓工廠的人們?cè)谶\(yùn)送食品之前對(duì)其進(jìn)行掃描和測(cè)試，以確保它是安全的。”
研究人員現(xiàn)在正致力于優(yōu)化食品樣品的制備，以便將它們與液滴一起放入孔中。他們還計(jì)劃制造用更復(fù)雜的糖定制的液滴，這些糖會(huì)與不同的細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)合。在這篇論文中，研究人員使用了一種與非致病性大腸桿菌結(jié)合的糖，但他們希望他們可以使傳感器適應(yīng)其他大腸桿菌菌株和其他有害細(xì)菌。
Savagatrup 說(shuō)：“你可以想象制造出真正有選擇性的液滴來(lái)捕捉不同的細(xì)菌，這取決于我們?cè)谒鼈兩砩咸砑拥奶欠帧?rdquo;
他們認(rèn)為，研究人員還試圖提高傳感器的靈敏度，目前這與現(xiàn)有技術(shù)相似，但潛力更大。他們希望在未來(lái)一年半內(nèi)成立一家公司將該技術(shù)商業(yè)化。
該研究由麻省理工學(xué)院的 Abdul Latif Jameel 世界水和食品安全實(shí)驗(yàn)室 (J-WAFS)、美國(guó)陸軍研究辦公室通過(guò)麻省理工學(xué)院士兵納米技術(shù)研究所、麻省理工學(xué)院的 Legatum 發(fā)展和創(chuàng)業(yè)中心、Alexander von Humboldt 資助基金會(huì)、馬普學(xué)會(huì)和德國(guó)研究基金會(huì)。
