FLANDERS' FOOD RADAR

Aptasensor voor de detectie van pindanootallergenen in voeding

Inname van bepaalde voedingsmiddelen kan bij een aanzienlijk deel van de menselijke populatie aanleiding geven tot allergische reacties met milde tot fatale reacties tot gevolg. In de queeste naar een snelle en betrouwbare detectiemethode brengen biosensoren misschien een oplossing.

Voedselallergenen

Voedselallergieën worden door uiteenlopende voedingsbestanddelen veroorzaakt, die onder andere in soja, eieren, melk, pindanoten en schaaldieren voorkomen. Momenteel bestaan er hiervoor nog geen doeltreffende medische behandelingen. De enige manier om allergische reacties te voorkomen is het vermijden van de consumptie ervan. Dit is echter niet evident daar ze meestal slechts in zeer kleine hoeveelheden voorkomen en gemaskeerd zijn in een voedingsmatrix. Een van de meest voorkomende allergieën is deze voor pindanoten. Deze komt voor bij 1% van de Amerikaanse bevolking en bij 3,2% van de Franse bevolking. Minieme hoeveelheden kunnen al klinische reacties veroorzaken. De symptomen zijn hoofd- en keelpijn, een gezwollen keel en shock. Het is dan ook van groot belang de consument in te lichten via etikettering over de mogelijke aanwezigheid van allergenen in levensmiddelen.

Biosensor voor zeer gevoelige detectie

De MeBioS Biosensorgroep (Afdeling Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren, Departement Biosystemen KULeuven), heeft een zeer gevoelige optische ‘aptasensor’ ontwikkeld voor de detectie van allergenen (pindanoot, eiwitten, …) in voeding. Dit type biosensor koppelt de voordelen van optische vezeltechnologie aan die van aptameertechnologie. 


Basisprincipe biosensor

Een biologisch doel of target wordt herkend door een biologische receptor. De herkenning gebeurt volgens een sleutel-slot principe: complementaire biologische structuren gaan op microschaal een verbinding aan. Deze binding veroorzaakt een verandering in de elektrische, chemische of optische eigenschappen van de biosensor. De biologische receptor is aangebracht op eentransducer, een materiaal dat deze veranderingen omzet in een herkenningssignaal, dat via aangesloten meetapparatuur wordt uitgelezen. (Figuur 1)

Figuur 1: Schematische weergave biosensor (Bron)


Een belangrijk deel van het onderzoek omvat de zoektocht naar een geschikte aptameer-bioreceptor, specifiek voor het allergeen-proteïne. Aptameren zijn enkelstrengige DNA- of RNA-oligonucleotiden die geselecteerd worden uit een grote oligonucleotidenbiobliotheek op basis van hun bindingsaffiniteit en specificiteit ten opzichte van het doelmolecule. (Figuur 2) Deze selectie gebeurt met capillaire electrophorese technologie. Aptameren hebben een aantal voordelen ten opzichte van de antilichamen die traditioneel als bioreceptor worden gebruikt: ze zijn makkelijk en goedkoop te produceren, eenvoudig chemisch te modificeren en zijn relatief stabiel.


Figuur 2: DNA-aptameren zijn de bioreceptormoleculen in de 'aptasensor'. Ze binden specifiek met allergeenmoleculen en vormen een complex. Deze complexvorming beïnvloedt het oppervlak van de transducer en kan elektrisch of optisch worden uitgelezen.

Deze geselecteerde bioreceptormoleculen werden vervolgens geïmmobiliseerd op een nano-plasmonische sensormodule. Deze is opgebouwd rond een optische silicavezel die bezet is met een titaniumlaag van enkele nanometers dikte en een dunne laag goud nanopartikels. Wanneer allergenen binden op de aptameerreceptoren op de goudlaag wijzigt de brekingsindex aan het sensoroppervlak. Dit fenomeen wordt 'localised plasmon resonance’ genoemd en kan zeer gevoelig opgemeten worden.

Toepassingen in de voedingssector

Dit type biosensor moet de producenten de mogelijkheid geven om snel, accuraat en ‘label-free’ verschillende levensmiddelen te screenen voor voedselallergenen, en garanties te bieden naar de eventueel allergische consument via een sluitend kwaliteitssysteem en correcte productetikettering.
Figuur 3: Proefopstelling optische aptasensor

Aansluitend onderzoek

In samenwerking met andere Vlaamse universiteiten wordt er gekeken naar de mogelijkheden om de aptameer-bioreceptor te integreren met andere transducers.

Zo speelt de UHasselt een voortrekkersrol in het gebruik van diamant als aanhechtingsmateriaal voor de bioreceptoren. Diamant heeft als voordeel dat het, in tegenstelling tot silicium, sterke en stabiele koolstof-koolstofbindingen kan maken met DNA-strengen zoals aptameren. Op deze manier kan enerzijds worden vermeden dat de bioreceptoren degenereren na contact met de biologische stalen , anderszijds laat dit toe de allergenen terug los te koppelen zonder de aptameren mee uit te spoelen. De biosensor wordt bijgevolg stabieler, herbruikbaar en dus goedkoper.

Aan de UGent werkt men aan een biosensorplatform op basis van fotonica dat in de toekomst tal van mogelijkheden kan bieden. Door gebruik te maken van ‘Silicon-on-Insulator’- technologie is het mogelijk optische kanaaltjes te integreren in een microchip. Wanneer de targetmoleculen binden op de bioreceptoren, die geplaatst zijn op een optische ringresonator is een wijziging in resonantiegolflengte waar te nemen. (Figuur 4)


Figuur 4: A) microring biosensor, B) Schematische voorstelling biosensor array in combinatie met microfluidics. C) ’Silicon-on-Insulator’-chip met microfluidics

In plaats van een glasvezel van enkele millimeters heeft men nu een structuur van slechts enkele micrometers groot nodig. Dit laat toe verschillende soorten bioreceptormoleculen op één microchip te integreren in verschillende eilandjes en maakt dus de detectie van meerdere doelmoleculen mogelijk. In combinatie met een microfluidics systeem komt een ‘lab-on-chip’ dichtbij, maar voorlopig is dat nog toekomstmuziek.


Microfluidics

Microfluidics omvat de technologie van het manipuleren van zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen op microschaal, zowel het transport, het mixen als diffusie. Microfluidics worden vooral gebruikt voor analytische toepassingen. Door slechts te werken met zeer kleine hoeveelheden, is het mogelijk analytische diagnoses te ontwikkelen met grote gevoeligheid en korte analysetijd.


Bronnen

  • www.biosensors.be
  • Optische aptasensor voor de detectie van pindanootallergenen in voeding, Bio-ingenieus (Tijdschrift van de faculteit bio-ingenieurswetenschappen), KULeuven, Oktober 2008
  • Diamant herkent DNA: UHasselt ontwikkelt stabiele en herbruikbare DNA-sensoren,EOS September 2008
  • Jaarverslag 2007 BIOMED, UHasselt
  • http://photonics.intec.ugent.be
  • K. De Vos, I. Bartolozzi, P. Bienstman, E. Schacht, R. Baets, Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing, Optics Express, 15, 2007
  • K. De Vos, I. Bartolozzi, P. Bienstman, R. Baets, E. Schacht, Optical Biosensor base don Silicon-on-Insulator Microring Resonators for Specific Protein Binding Detection,Proceedings Symposium IEEE/LEOS Benelux Chaper, 2006, Eindhoven

Nuttige links