Οι αναδυόμενοι αισθητήρες που βασίζονται στο DNA είναι πολλά υποσχόμενα εργαλεία για την ασφάλεια των τροφίμων

Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό TrAC Τάσεις στην Αναλυτική Χημείαοι ερευνητές συζήτησαν τις τρέχουσες τάσεις, τις προκλήσεις και το μέλλον των αισθητήρων που βασίζονται στο δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) σε ανάλυση σε πραγματικό χρόνο και σε ταχεία ανάλυση ρύπων τροφίμων.

Η ευρεία χρήση των συμβατικών μεθόδων δοκιμών τροφίμων είναι περιορισμένη καθώς χρησιμοποιούν πολύπλοκα όργανα και έχουν χαμηλή ευαισθησία, επιλεκτικότητα και ακρίβεια.Αντίστροφα, ηλεκτροχημικοί και οπτικοί αισθητήρες βασισμένοι σε DNA που έχουν σχεδιαστεί με χρήση εξαιρετικά προηγμένων νανοϋλικών και λειτουργικών πολυμερών έχουν υποσχεθεί πολλά ως εργαλεία σάρωσης τροφίμων .

Οι εφαρμοσμένοι αισθητήρες DNA θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν διάφορους τύπους ρύπων τροφίμων γρήγορα και σε πραγματικό χρόνο από μια σύνθετη μήτρα δειγμάτων τροφίμων με ελάχιστη κατανάλωση δειγμάτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο οι ηλεκτροχημικές όσο και οι οπτικές προσεγγίσεις έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα όταν αξιολογούνται με βάση τα αναλυτικά πλεονεκτήματα του Αντίστοιχα, το γραμμικό εύρος τους, το όριο ποσοτικοποίησης και ανίχνευσης, ο χρόνος ανάλυσης και η απόδοση ποικίλλουν όταν χρησιμοποιούνται για τη δοκιμή δειγμάτων σε πραγματικές ρυθμίσεις.

Μελέτη: Η τεχνολογία ανίχνευσης DNA είναι ένα χρήσιμο εργαλείο σάρωσης τροφίμων. Πίστωση εικόνας: Siberian Art / Shutterstock

Αρχές σχεδίασης και ανίχνευσης αισθητήρων με βάση το DNA

Από όλους τους μολυντές των τροφίμων, οι χημικοί και βιολογικοί μολυντές είναι οι πιο δύσκολοι να ανιχνευθούν. Στην πραγματικότητα, η τροφική δηλητηρίαση με μολυσματικά μικρόβια και χημικές ουσίες έχει ως αποτέλεσμα δύο εκατομμύρια θανάτους ετησίως. Ως εκ τούτου, έχει καταστεί κρίσιμο να αξιολογούνται τα προϊόντα τροφίμων πολλές φορές καθώς παράγονται και παραδίδεται στους χρήστες, δηλαδή μέσω του ταξιδιού τους «από το αγρόκτημα στο τραπέζι». Πρόσφατα, η πιο έντονη ανάλυση μόλυνσης των τροφίμων έχει γίνει προτεραιότητα παγκοσμίως για τον μετριασμό της εξάπλωσης του σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου του κορωνοϊού 2 (SARS-CoV-2).

Τα νανοσωματίδια δημιουργούν ένα σύστημα ανίχνευσης μέσα σε έναν βιοαισθητήρα με μεγάλη επιφάνεια και προηγμένες ιδιότητες. Η πλειοψηφία των χημικά κατασκευασμένων νανοϋλικών, συμπεριλαμβανομένων των νανοσωλήνων άνθρακα (CNT) και των μαγνητικών νανοσωματιδίων (MNP), που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό αισθητήρων θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν δυνητικά βιολογικά και χημικά τρόφιμα ρύπους και αλλεργιογόνα.

Πιο πρόσφατα, το DNA εμφανίστηκε ως προηγμένο νανοϋλικό επειδή είναι εύκολο να συντεθεί και μπορεί να υιοθετήσει διαφορετικές διαμορφώσεις, όπως τετράεδρα, υδρογέλες και τριπλή έλικα. Η χρήση του DNA έχει επίσης οδηγήσει σε μια πληθώρα σχεδίων αισθητήρων, όπως π.χ. DNAzymes, switch DNA, Guanine-quaduplexes, molecular beacons, κ.λπ. Πράγματι, οι αισθητήρες DNA έχουν ανοίξει νέους ορίζοντες για την ανάπτυξη συσκευών μιας χρήσης για ακριβή και γρήγορη επιτόπια ανίχνευση ρύπων τροφίμων.

Ένα άλλο κρίσιμο συστατικό ενός βιοαισθητήρα είναι ένας κατάλληλος υποδοχέας βιοαισθητήρα. Τα απταμερή είναι αλυσίδες μονόκλωνου DNA ή ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) και έχουν σταθερά δέσμευσης υψηλής συγγένειας για τον στόχο τους. in vitro διαδικασία επιλογής και συστηματική εξέλιξη προσδεμάτων με εκθετικό εμπλουτισμό (SELEX), οι ερευνητές δημιούργησαν απταμερή για περισσότερες από 100 πρωτεΐνες που θα ενσωματωθούν σε ηλεκτροχημικούς και οπτικούς βιοαισθητήρες. Τέτοιοι βιοαισθητήρες ανιχνεύουν γρήγορα διάφορα μικροβιακά παθογόνα, φυτοφάρμακα, αλλεργιογόνα και τοξικά πρόσθετα στα τρόφιμα .

Αρκετές τεχνολογίες βασισμένες σε απταμερή που χρησιμοποιούν δραστηριότητα εξωσώματος III, ομαδοποιημένες τακτικά διακεκομμένες σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις (CRISPR)-Cas12a έχουν δείξει πολλά υποσχόμενες και ευθυγραμμισμένες για παραγωγή. Επιπλέον, νανοσυσκευές DNA, όπως μοριακά φάροι, λογικές πύλες DNA και περιπατητές DNA εξαιρετικά ευαίσθητο σε εξωτερικά ερεθίσματα και μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να δίνει ένα μόνο έως πολλαπλά σήματα.Σαφώς, οι τεχνολογίες ενίσχυσης σήματος DNA, όπως η ισοθερμική ενίσχυση και η ενίσχυση κυλιόμενου κύκλου (RCA), έχουν φέρει επανάσταση στις εφαρμογές ανίχνευσης DNA τροφίμων.

Ομοίως, προσεγγίσεις DNA με επισήμανση ή χωρίς ετικέτα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση ρύπων τροφίμων. Συγκεκριμένα, μια ετικέτα προσφέρει ένα σήμα εξόδου σε συσχετισμό με τη συγκέντρωση και την παρουσία ή την απουσία της αναλυόμενης ουσίας. Αν και χρονοβόρα και δαπανηρή, επισημασμένη με βάση το DNA Οι βιοαισθητήρες προσφέρουν υψηλότερη εξειδίκευση από εκείνους που δεν περιέχουν ετικέτα, καθώς υφίστανται αλλαγές σήματος μόνο μία φορά λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του στόχου και του βιοϋποδοχέα. Η μεταβαλλόμενη ένταση του σήματος αυξάνοντας ή μειώνοντας την απόσταση μεταξύ της ετικέτας και του μορφοτροπέα θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη «ενεργοποίησης σήματος» και Βιοαισθητήρες «απενεργοποίησης σήματος» Οι βιοαισθητήρες χωρίς ετικέτα ποσοτικοποιούν τις βιομοριακές αντιδράσεις σε πραγματικό χρόνο, είναι φθηνοί και ανιχνεύουν μικρά μόρια, ωστόσο, συχνά δεν διαθέτουν επιλεκτικότητα.

συμπεράσματα

Πριν από την εμπορευματοποίηση, πρέπει να αντιμετωπιστούν ζητήματα σταθερότητας και αναπαραγωγιμότητας με αισθητήρες που βασίζονται σε DNA. Οι άλλες προκλήσεις περιλαμβάνουν τη σύντομη διάρκεια ζωής και τις συνθήκες αποθήκευσης των μορίων DNA και τη σμίκρυνση των αισθητήρων. Επειδή οι περισσότερες από τις εφαρμογές τους βρίσκουν βάση στην απόδειξη -Μελέτες ιδέας, οι επί του παρόντος χρησιμοποιούμενοι αισθητήρες με βάση το DNA έχουν μικρή ικανότητα για επιτόπια ανίχνευση ρύπων σε δείγματα τροφίμων. Ως εκ τούτου, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να δοκιμαστούν αυτές οι συσκευές με μεγαλύτερα σετ δειγμάτων. Επιπλέον, υπάρχει ανάγκη υιοθέτησης ολοκληρωμένη προσέγγιση και να μην υποτιμούν τον ρόλο της προεπεξεργασίας των δειγμάτων τροφίμων, ενώ αξιολογούν την επιλεκτικότητα και την ευαισθησία των αισθητήρων.

Συνολικά, υπάρχει επιτακτική ανάγκη να βελτιώνεται συνεχώς η ανάπτυξη της διαδικασίας για να μειωθεί το κόστος και να μετατραπούν οι μελέτες απόδειξης της ιδέας σε εμπορεύσιμες συσκευές βιοαισθητήρα. Ο αυξανόμενος αριθμός διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και δημοσιεύσεων για βιοαισθητήρες που βασίζονται σε DNA δείχνουν ότι οι εύχρηστοι βιοαισθητήρες που θα μπορούσαν να δοκιμάσουν οικιακά τρόφιμα για διαφορετικούς ρύπους θα είναι σύντομα προσβάσιμα στις μάζες.

.

Leave a Comment