Lebensmittelbedingte Krankheiten frühzeitig erkennen

Produkte wie Salat und Spinat werden routinemäßig auf lebensmittelbedingte pathogene Bakterien wie Salmonellen, Listeria monocytogenes und pathogene Arten von E. coli getestet, um Verbraucher vor Krankheiten zu schützen.

Zwar kann es zu Schnelltests von Lebensmitteln kommen, aber es dauert noch einige Zeit, um herauszufinden, wer erkrankt ist und woher das kontaminierte Produkt stammt. Für die vielen Amerikaner, die die Produkte bereits gegessen haben, ist das viel zu spät. Die aktuelle Lösung, oft ein Rückruf in mehreren Staaten, wird dann zur Schadensbegrenzung.

Forscher der University of Delaware wollen diese Bakterien erkennen, bevor jemand jemals erkrankt. Wie in einem Artikel beschrieben, der in der veröffentlicht wurde Zeitschrift für Lebensmittelsicherheit, UD und das in Delaware ansässige Startup Biospection sind dabei, das Testen erheblich zu beschleunigen. Die Fakultätsmitglieder Harsh Bais und Kali Kniel arbeiteten zusammen mit dem ehemaligen Doktoranden Nick Johnson mit Andy Ragone von Biospection zusammen, um in drei bis sechs Stunden durch Lebensmittel übertragene Krankheitserreger nachzuweisen.

Als gelernter Mikrobiologe ist Kniel ein Experte für Crossover-Krankheitserreger wie Salmonellen, die sich freudig auf neue Wirte wie den köstlichen, frischen Salat stürzen.

„Während die Lebensmittelindustrie fleißig daran arbeitet, die mit mikrobieller Kontamination verbundenen Risiken zu verringern, haben Tools wie dieses ein unglaubliches Potenzial zur Verbesserung von Risikominderungsstrategien“, sagte Kniel, Professor für mikrobielle Lebensmittelsicherheit, der regelmäßig mit der Industrie und Regierungsbehörden zusammenarbeitet, um das Risiko einer durch Lebensmittel übertragenen Kontamination zu verringern Erkrankung. „Zusammenarbeit wie unsere zwischen Akademikern und Biotechnologieunternehmen kann die Technologie verbessern und Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit und die öffentliche Gesundheit haben.“

Diese Krankheitserreger dringen leicht in Pflanzen ein, die leider sehr gastfreundliche Wirte sind – Wirte, die Ihnen nicht sagen können, wo sich ihre Gäste befinden.

Genau wie Menschen nutzen Pflanzen Abwehrmechanismen, um Krankheiten zu bekämpfen. Einige vom Menschen übertragene Krankheitserreger haben jedoch gelernt, die offenen Eintrittstore einer Pflanze, sogenannte Stomaten – Poren in den Blättern oder Stängeln – zu öffnen und sich heimisch zu machen.

„Da es sich bei diesen Bakterien nicht um echte Krankheitserreger für Pflanzen handelt, kann man frühe Anzeichen dafür, dass die Pflanze unter Stress steht, physisch nicht erkennen“, sagte Bais, UD-Professor für Pflanzenbiologie. „Mit der Technologie von Biospection können wir sehr schnell feststellen, ob der opportunistische menschliche Krankheitserreger in der Pflanze vorhanden ist.“

Als in Wilmington arbeitender Chemiephysiker lernte Ragone Kniel und Bais durch die wissenschaftliche Gemeinschaft von Delaware und die gemeinsame Nutzung von Laborgeräten kennen.

Die Forscher kombinierten ihr interdisziplinäres Fachwissen, um das Risiko lebensmittelbedingter Krankheiten zu verringern, eine Aufgabe, mit der Industrie und akademische Forscher viele Jahre lang zu kämpfen hatten. Das Ergebnis? Das Team entwickelte eine multispektrale Bildgebungsplattform, um die Reaktion von Pflanzenwächtern zu untersuchen. Ein Ziel besteht darin, diese Technik direkt auf einem Förderband anzuwenden und Ihren Salat zu scannen, bevor er jemals zum Lebensmittelgeschäft gelangt.

Wie erkennen Sie also ein Symptom, das Sie nicht sehen können? Die Technik der Forscher scannt Blätter mittels multispektraler Bildgebung und Tiefen-UV-Sensorik, wenn die Pflanze diese Krankheitserreger anzieht. Als die Forscher gutartige Bakterien untersuchten, stellten sie kaum Veränderungen fest. Bei schädlichen, vom Menschen übertragenen Krankheitserregern kann der Test jedoch Unterschiede in der befallenen Pflanze erkennen.

„Am Beispiel von Listerien sehen wir in drei bis sechs Stunden einen starken Abfall der Chlorophyllpigmente“, sagte Bais. „Das ist ein starkes Signal dafür, dass die Pflanze physiologisch reagiert – ein Hinweis auf ungewöhnliche Bakterien.“

Die neue multispektrale Bildgebungstechnik ist nicht-invasiv und blitzschnell im Vergleich zu aktuellen Tests, bei denen ein Laborwissenschaftler ein Blatt entnimmt, es zermahlt, die Bakterien ausplattiert und nach Krankheiten sucht. Die aktuelle Methode ist nicht kommerziell erhältlich, aber Biospection erhielt im Jahr 2022 ein Stipendium der National Science Foundation für Small Business Innovation Research, um sie zu einem Echtzeit-Bildsensor zu entwickeln und zu kommerzialisieren, der Pflanzen auf Krankheiten und andere Stressfaktoren untersucht.

„Harsh und Kali waren sicherlich maßgeblich an den Techniken beteiligt, die wir mit multispektraler Bildgebung und der Verwendung von Fluoreszenz im tiefen Ultraviolett entwickelt haben“, sagte Ragone, Gründer und Chief Technology Officer von Biospection. „Wir haben ein tragbares Instrument gebaut, das kommerzialisiert werden konnte.“

Vertikale Landwirtschaft ist ein Agrarsektor, der von der neuen Technologie profitieren wird. Vertikale Farmen verbrauchen weniger Wasser und Platz und sind ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft. Aber wenn es um Krankheiten geht, sind diese Betriebe genauso anfällig wie die traditionelle Freilandlandwirtschaft. Ein Auftreten von E. coli bedeutet, dass eine vertikale Farm die gesamte Ernte wegwerfen muss.

Biospection arbeitet bereits mit Agrarunternehmen zusammen, um den Bildsensor in die Regale vertikaler Farmen und für Outdoor-Farmen in Erntedrohnen zu integrieren.

„Durch die Zusammenarbeit mit UD haben wir die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung besserer Instrumente gelegt“, sagte Ragone. „Wir arbeiten an einem Instrument, das tragbar und automatisiert ist und in Sekundenschnelle eine Antwort geben kann.“

Für zukünftige Forschungen möchte Bais herausfinden, ob diese Technologie zwischen verschiedenen Mikroben unterscheiden kann.

„Wenn die Sentinel-Reaktion von einer Mikrobe zur anderen unterschiedlich ist, gibt uns das die Identität der Mikrobe anhand der pflanzlichen Sentinel-Reaktion. Wir sind noch nicht soweit, aber das wäre die ultimative Errungenschaft“, sagte Bais. „In einem Sentinel könnte man dann unterscheiden, welche gutartigen und schädlichen Mikroben dies in Bezug auf einen Sentinel tun.“