«سالمونلا»(Salmonella) نوعی باکتری است که در دستگاه گوارش حیوانات خونگرم مانند پرندگان و پستان‌داران از جمله انسان زندگی می‌کند. دکتر «توحید دیدار»(Tohid Didar) دانشمند ایرانی «دانشگاه مک‌مستر»(McMaster University) کانادا و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: سالمونلا یکی از شایع‌ترین آلاینده‌های غذایی است. این باکتری عامل ابتلا به بیماری «گاستروانتریت»(Gastroenteritis) با علائمی مانند اسهال، ناراحتی شدید شکمی، تب و استفراغ است.

دولت‌ها برای کاهش خطر ابتلا به بیماری‌های ناشی از غذا، بررسی‌های بهداشتی را در نقاط گوناگون زنجیره تولید مواد غذایی انجام می‌دهند. روش مرجع برای تشخیص دادن پاتوژن‌های غذایی، کشت است که حضور عوامل بیماری‌زا را با آزمایش توانایی آنها برای رشد یافتن در شرایط بهینه تأیید می‌کند اما این روش، پر زحمت و کند است (برای باکتری‌ها یک هفته و برای قارچ‌ها بیشتر طول می‌کشد) زیرا به نمونه‌برداری در محل تولید، ارسال نمونه‌ها به آزمایشگاه و تجزیه‌وتحلیل آنها با استفاده از تجهیزات تخصصی و پرسنل آموزش‌دیده نیاز دارد.

دیدار و همکارانش برای برطرف کردن این محدودیت‌ها، تلاش‌های ویژه‌ای داشتند. آنها یک دستگاه هوشمند را طراحی کردند که نام آن را «آزمایشگاه در یک بسته»(lab-in-a-package) گذاشتند. این دستگاه هوشمند می‌تواند سطوح خطرناک باکتری‌ها را به سرعت و حتی بدون باز کردن بسته‌بندی مواد غذایی تشخیص دهد.

این گروه پژوهشی، یک حسگر ویژه را برای گونه‌ای از سالمونلا موسوم به «سالمونلا تیفی‌موریوم»(Salmonella Typhimurium) طراحی کردند که بیشتر با مرغ و سایر محصولات طیور مرتبط است. آنها با استفاده از دستگاه هوشمند خود توانستند با موفقیت سالمونلا تیفی‌موریوم موجود در مرغ آلوده را در لحظه و با حساسیت بالا شناسایی کنند.

ابداع آزمایشگاه در یک بسته

دانشمندان برای برطرف کردن نیاز ارسال نمونه‌ها به آزمایشگاه و روش کشت، چندین پلتفرم حسگر زیستی را برای نظارت بر مواد غذایی ابداع کرده‌اند اما هر کدام از آنها محدودیت‌های خاص خود را دارند.

فرآیند کشت و فناوری‌های نظارتی مدرن باعث ایجاد ضایعات قابل توجهی می‌شوند زیرا برای جمع‌آوری نمونه‌ها به باز کردن بسته‌ها نیاز دارند. دیدار و همکارانش برای برطرف کردن این مشکل، یک سینی مخصوص ابداع کردند که به یک روزنه برای تشخیص عامل بیماری‌زا در قسمت پایین مجهز است. سینی علاوه بر این که کاربرد ظرف را دارد، مایعات را از غذا به حسگر منتقل می‌کند تا بدون نیاز به باز کردن بسته، نمونه‌برداری از کل محصول انجام شود. ادغام حسگر با سینی، کنترل انفرادی محصولات را نیز تضمین می‌کند و مشکل نمایش ضعیف را هنگام کنترل برطرف می‌سازد.

دیدار خاطرنشان کرد که فناوری‌های نوین نظارت بر مواد غذایی اغلب به واکنش‌گرهای مکمل نیاز دارند و باید پیش از شناسایی، سالم‌سازی شوند اما واکنش‌گرها ممکن است سایر خواص مواد غذایی مانند طعم، بو و رنگ را که معمولا پیش از رسیدن به دست مصرف‌کننده کنترل می‌شوند، تغییر دهند. دیدار و گروهش برای جلوگیری از این امر، واکنش‌گرهای مرحله تشخیص را که در غشای بالای حسگر جذب می‌شوند، وارد کردند.

انتخاب کردن عناصر درست

دیدار و گروهش برای ساختن دستگاه آزمایشگاه در یک بسته، ابتدا قطعات پلتفرم را به صورت جداگانه تنظیم کردند. از آنجا که مرغ اغلب با آلودگی‌های سالمونلا مرتبط است، آنها در این آزمایش‌ها از مایعاتی استفاده کردند که مرغ آنها را هنگام ذخیره‌ شدن منتشر می‌کند.

آنها برای شروع، سینی‌هایی با شیب‌های جانبی متفاوت(۴۵ درجه، ۶۰ درجه و ۹۰ درجه) طراحی کردند تا آزمایش کنند که کدام برای هدایت مایعات منتشرشده از مرغ به سوی روزنه حسگر بهتر است. آنها سینی شیب‌دار ۴۵ درجه را برای پلتفرم انتخاب کردند زیرا دریافتند که مایعات را سریع‌تر و کارآمدتر موقعیت‌یابی می‌کند.

این گروه پژوهشی، چندین ماده از جمله پنبه، سلولز و پلی‌استر را برای غشاء در نظر گرفتند. آنها پس از ارزیابی کامل، غشاهای پنبه‌ای را انتخاب کردند زیرا تخلخل بهتری نسبت به سایر مواد نشان دادند و در آزمایش‌های جذب و نگهداری مایع به خوبی عمل کردند که ویژگی بسیار مهمی در جلوگیری از انتشار واکنش‌گرها در غذا است.

پژوهشگران برای ساخت حسگر سالمونلا تیفی‌موریوم، از یک مولکول آران‌ای استفاده کردند که به طور ویژه توسط آنزیم این باکتری شناسایی و شکافته شد. در محل برش آران‌ای، یک جفت مولکول به نام «فلوروفور»(Fluorophore) و «کوئنچر»(Quencher) وجود دارد.

دیدار توضیح داد: آران‌ای پیش از تماس با آنزیم، در حالت پیش از شکاف خود قرار دارد. این حالتی است که کوئنچر، سیگنال فلورسنت فلوروفور را می‌پوشاند. آنزیم در حضور سالمونلا تیفی‌موریوم، مولکول آران‌ای را می‌شکافد و باعث جدا شدن کوئنچر از فلوروفور می‌شود. این امر، سیگنال فلورسنت فلوروفور را فعال می‌کند و نشان می‌دهد که آلودگی سالمونلا تیفی‌موریوم رخ داده است.

شواهد آزمایش

محصولات آماده برای خوردن به دلیل زنجیره تولید طولانی‌تر، به‌ طور ویژه در برابر آلودگی آسیب‌پذیر هستند. بنابراین، دانشمندان دستگاه را با آزمایش روی مرغ پخته تایید کردند.

دانشمندان برای بررسی حساسیت دستگاه، مرغ آماده مصرف را با مقادیر رو به افزایش سالمونلا تیفی‌موریوم آلوده کردند. این پلتفرم، کمتر از ۱۰۰۰ باکتری را در هر میلی‌لیتر شناسایی کرد و به غلظت باکتری پاسخ مثبت داد. این بدان معناست که مقدار بیشتری از میکروارگانیسم‌ها، فلورسانس روشن‌تری را می‌دهد. این پاسخ بیش از الزامات روش‌های کنونی کنترل است که فقط به دنبال پاسخ مثبت یا منفی هستند.

یک پلتفرم حسگر زیستی فقط باید به میکروارگانیسمی پاسخ دهد که برای آن طراحی شده است. نتایج دستگاه آزمایشگاه در یک بسته، در آزمایش ویژگی چشمگیر بود. این دستگاه توانست سالمونلا تیفی‌موریوم را در قطعات مرغ آلوده به مخلوطی از این باکتری و سایر باکتری‌های متداول غذایی شناسایی کند. علاوه بر این، دستگاه به آلودگی با مخلوطی که فقط حاوی باکتری‌های غیر از سالمونلا تیفی‌موریوم بود، پاسخ نداد.

آلودگی مواد غذایی می‌تواند در هر مرحله از زنجیره غذایی، به دلیل بهداشت پایین محل کار و وسایل آشپزی رخ دهد. برای ارزیابی عملکرد آزمایشگاه در یک بسته روی منابع گوناگون آلودگی، پژوهشگران آن را با قطعات مرغی که در تماس با چاقو، دستکش و سطح آلوده بودند، به چالش کشیدند. دستگاه در همه موارد توانست سالمونلا تیفی‌موریوم را به طور موثر شناسایی کند.

محصولاتی که در فروشگاه‌ها عرضه می‌شوند، به دلیل نوسانات در شرایط محیطی ممکن است حاوی باکتری کمتری نسبت به محصولات آزمایشگاه باشند که به صورت مصنوعی آلوده شده‌اند. بنابراین، دیدار گفت که برای به دست آوردن نتایج واقعی‌تر، ارزیابی‌ها باید روی محصولات فروشگاه‌ها انجام شوند.

در هر حال، دیدار همچنان نسبت به عملکرد این دستگاه هوشمند خوشبین است. وی افزود: ما معتقدیم که این فناوری به سرعت به تجاری‌سازی نزدیک می‌شود. پلتفرم بسته‌بندی ما نشان‌دهنده سیستمی است که دانشمندان دیگر می‌توانند آن را برای نظارت کارآمد روی محصولات بسته‌بندی‌شده با استفاده از حسگرهایی که خودشان ابداع کرده‌اند، به کار ببرند.

این پژوهش، در مجله «Advanced Materials» به چاپ رسید.