Бумажный биосенсор для быстрого и простого обнаружения фекального загрязнения на фермах по выращиванию продукции
Исследователи из Университета Пердью представляют сельскохозяйственной отрасли новую технологию биосенсора, вдохновленную достижениями, полученными во время пандемии COVID-19.
Система показала 100% точность результатов в течение часа после сбора образцов в полевых условиях на коммерческой ферме по выращиванию свежей продукции.
«Наш подход использует фекальный индикатор Bacteroidales в качестве маркера риска», — сказал Мохит Верма, доцент кафедры сельскохозяйственного и биологического машиностроения. Верма и его команда из девяти постдоков, аспирантов и студентов опубликовали результаты в журнале Biosensors and Bioelectronics. Стартап Krishi, где Верма является техническим директором, лицензирует технологию через Офис коммерциализации технологий Purdue Innovates.
Цель — оценить риски, которые могут присутствовать на фермах по выращиванию свежей продукции от близлежащих животноводческих хозяйств или дикой природы. Обычно это делается путем измерения патогенов. Если патогены присутствуют на урожае, его выбрасывают. Но обнаружение патогенов на низком уровне в соответствии с нормативными требованиями для продуктов с коротким сроком хранения представляет сложности.
Используемая технология называется петлевой изотермической амплификацией (LAMP). Команда реализовала её на инновационных бумажных устройствах для быстрого получения результатов в сельском хозяйстве. Ранее команда Вермы разрабатывала такие тесты для респираторных заболеваний крупного рогатого скота и COVID-19.
«Насколько нам известно, эта работа представляет первую демонстрацию портативной платформы для тестирования LAMP, внедренной на ферме по выращиванию свежей продукции», — написали соавторы.
Bacteroidales — это фекальный организм, обнаруживаемый у свиней, птицы и крупного рогатого скота. Большинство патогенов пищевого происхождения, связанных со свежей продукцией, включая E. coli и сальмонеллу, происходят из кишечника.
Команда тестировала систему на коммерческой ферме по выращиванию салата в Салинасе, Калифорния, и в поле рядом с Исследовательским и образовательным центром зоотехники Пердью в Уэст-Лафайетте, Индиана. Микробные образцы собирали с пластиковых флажков, размещенных по всей тестовой зоне.
Маленькие флажки из пластиковых листов собирали образцы биоаэрозолей в течение недели. Эксперименты сравнивали тестирование в поле и в лаборатории. Все флажки доставляли в лабораторию для количественного ПЦР-тестирования. «Это позволяет измерить Bacteroidales и, следовательно, уровень фекального загрязнения», — сказал Верма.
Однако с новым набором для анализа, состоящим из дозатора капель, бумажных устройств и нагревательного имиджера, производители могут проводить весь процесс в поле. После взятия мазка с флажка его помещают в дозатор, предварительно заполненный жидкостью для дозирования определенного объема.
Жидкость поступает в бумажные устройства, содержащие соединения, необходимые для обнаружения ДНК в образцах. Затем бумажное устройство помещается в нагревательный имиджер. Через час устройство показывает, сколько Bacteroidales присутствует. Анализ дает количественные результаты, которые подтверждают то, что производители, следуя визуальному осмотру, часто интуитивно подозревают на своих полях.
Результаты полевых испытаний на 100% совпали с лабораторными. Они включали образцы с очень низкой или очень высокой концентрацией загрязнения. Получить полный диапазон уровней загрязнения в полевых испытаниях сложно, но это часть текущей работы.
В полевых испытаниях не хватало образцов со средним уровнем загрязнения, которые дали бы наибольшее количество несоответствий. Тем не менее, анализ может обнаружить всего три копии ДНК Bacteroidales на квадратный сантиметр. Верма оценивает, что тесты с полным диапазоном загрязнения достигнут совпадения с лабораторными испытаниями выше 90%.
Низкие уровни Bacteroidales указывают на зону низкого риска. Высокие уровни сигнализируют о необходимости принять меры предосторожности. Высоким уровнем загрязнения считаются 1000 копий ДНК на квадратный сантиметр на тест-пэде, где одна копия соответствует одной клетке из широкого класса бактерий. Низким уровнем — 10 копий на квадратный сантиметр.
«Самое большое ограничение — мы пока не знаем, что на самом деле означают эти цифры», — сказал Верма. «Что насчет промежуточных значений? Где установить порог? Это часть текущей работы».
Ведущие авторы Цзяншань Ван и Симердип Каур разработали анализы и бумажные устройства, а также провели полевые испытания. Соавторы разработали нагревательный имиджер. Другие соавторы помогали с подготовкой полевых испытаний и оптимизацией устройств.
Работа демонстрирует способность группы Вермы переходить от разработки чего-то нового в лаборатории к тестированию в полевых условиях. «Не каждый может это сделать, и определенно нельзя сделать это в одиночку. На это указывает список авторов», — сказал Верма.