Dulce con Nanotecnología para frustrar el bioterrorismo y contaminación de los alimentos

Hablar sobre la amenaza de terroristas usando armas biológicas es una gran herramienta para asustar a la gente. El uso de cualquier tipo de agente patógeno (bacteria, virus u otras enfermedades que causan organismo) como un arma sin duda es un escenario aterrador, pensar en la casi de pánico de los ataques con ántrax en 2001 los Estados Unidos causado. Cartas que contenían esporas de ántrax fueron enviadas por correo a las oficinas de varios medios de comunicación de noticias y dos senadores de EE.UU., matando a cinco personas e infectando a otras 17. ¿Puede usted imaginar lo pánico resultante de un ataque que mata a 5.000 personas y causa 76 millones de enfermedades? Bueno, como cuestión de hecho, las enfermedades transmitidas por los alimentos causan aproximadamente 76 millones de enfermedades, 325.000 hospitalizaciones y 5.000 muertes en los Estados Unidos cada año. Agentes patógenos conocidos cuenta de un estimado de 14 millones de enfermedades, 60.000 hospitalizaciones y 1.800 muertes (datos de los CDC). La FDA (Food and Drug Administration's) 2005 Alimentación Código establece que el costo estimado de las enfermedades transmitidas por los alimentos es de $ 10 - $ 83 mil millones al año (fuente). Así, mientras que los EE.UU. gastan miles de millones de dólares para asegurar sus fronteras, pierde muchos miles de millones más, por no hablar de miles de vidas, no todos los años por ser capaz de mantener su seguro de espinacas y hamburguesas. Al parecer, hablar de terrorismo es un teatro político mucho mejor (y hace más atractivos para los títulos Nanowerk Spotlight) de debatir sobre los brotes de E. coli. Sin embargo, ya sea a causa de posibles terroristas o alimentos contaminados, de investigación en la detección de microorganismos y procesos de descontaminación y aumentado significativamente en los últimos años. Los métodos tradicionales de identificar y posteriormente eliminar un agente patógeno son lentos y engorrosos. Ahora, usando la nanotecnología, los investigadores han diseñado un novedoso sistema de biosensores que pueda identificar a E. coli en sólo cinco minutos y retirar hasta el 88% de las bacterias de destino.
Tradicionalmente, la identificación de agentes patógenos como la E. coli, salmonela o listeria requiere el cultivo de células, que toma tiempo - el tiempo que a menudo significa más contaminación y enfermedades o incluso la muerte. He aquí un ejemplo de método recomendado de la FDA para la determinación de E. coli:
Pesar 50 g de alimentos en frasco estéril de alta velocidad de una licuadora. Añadir 450 ml de fosfato Butterfield-buffered agua y la mezcla durante 2 min. Preparar diluciones decimales con diluyente fosfato Butterfield estéril. Número de diluciones que se prepare depende de la densidad de coliformes previsto. Shake todas las suspensiones de 25 veces en 30 cm de arco o la mezcla vórtice de 7 s. No utilizar pipetas para entregar <10%>Porciones de transferencia de 1 mL a 3 LST tubos para cada dilución de al menos 3 diluciones consecutivas. Mantener la pipeta en un ángulo de modo que su borde inferior se apoya en el tubo. Deje que se escurra pipeta 2-3 s. No más de 15 minutos deben transcurrir del tiempo la muestra se mezcla hasta que todas las diluciones se sembraron en medios de comunicación adecuados. Incubar los tubos de LST a 35 ° C. Examinar los tubos y las reacciones de registro a 24 ± 2 h de gas, es decir, el desplazamiento de medio en el vial de la fermentación o de efervescencia cuando los tubos se agitan suavemente. Re-gas incubar los tubos de negativos para un periodo adicional de 24 h, y examinar y registrar las reacciones de nuevo a 48 ± 2 h. Realizar la prueba confirmada en todos los tubos de presunto positivo (que tiene otros 2 días).
Se trata de un nobrainer que un sistema de detección que lleva varios días para identificar positivamente a una contaminación de patógenos potencialmente mortales no es suficiente. Lo que urge es una forma rápida para detectar la presencia de un agente patógeno, así como la identidad de la cepa. Eso es técnicas de la nanotecnología se podría venir al rescate.
"Hemos de demostrar el potencial de azúcar recubierto con nanopartículas magnéticas para la detección rápida y la eliminación de bacterias, que ofrece una vía atractiva para la descontaminación de patógenos y aplicaciones de diagnóstico", dice el Dr. Xuefei Huang Nanowerk.
Huang, profesor asociado en el Departamento de Química de la Universidad de Toledo, junto con sus colaboradores de la universidad, desarrolló un gluco-nanopartículas magnéticas (MGNP)-sistema no sólo para detectar E. coli en 5 minutos, sino también a eliminar hasta el 88% de las bacterias diana del medio. Este sistema también permite una fácil determinación de la identidad de tres diferentes cepas de E. coli sobre la base de los patrones de respuesta a dos MGNPs destacando su potencial en biosensores.
Los resultados se han divulgado en un artículo reciente en la Revista de la Sociedad Americana de Química ( "Glyco nanopartículas magnéticas: una herramienta única para la detección rápida de patógenos, la descontaminación, y la diferenciación de tensión").
Huang y su equipo decidieron utilizar nanopartículas magnéticas, ya que su superficie elevada relación volumen ofrece más superficie de contacto para fijar los hidratos de carbono y para la captura de los agentes patógenos. Las nanopartículas son típicamente alrededor de dos órdenes de magnitud más pequeñas que una bacteria, permitiendo que las nanopartículas que muchos atribuyen a una célula bacteriana, lo que ayuda a eliminar las bacterias.
"Los agentes patógenos tales como bacterias y virus suelen tener un" diente dulce "que les permite enlazar con la superficie de células de mamíferos hidratos de carbono para iniciar la infección", explica Huang. "Para imitar este efecto, hemos decorado la superficie de MGNPs con mitades de hidratos de carbono capaz de reconocer los elementos de unión de la superficie. Esto da lugar a partículas con capacidades de reconocimiento robusto y con la ventaja de ser magnético."

Esquema de demostración de la detección de patógenos por MGNPs. (Foto: Dr. Huang, de la Universidad de Toledo)
En sus experimentos, Huang y su equipo encontraron que cuando la MGNP se introducen a un agente patógeno, el agente patógeno se une a la del azúcar. Una vez que el agente patógeno ha sido capturado, mediante un campo magnético, los investigadores fueron capaces de eliminar hasta el 88% de la E. coli, el 65% en los primeros cinco minutos. Esto es mucho más alto que la mayoría de sistemas actuales que utilizan anticuerpos.
Además, la técnica se puede diferenciar una cepa patógena de la otra. Debido a que varias cepas de bacterias pueden tener afinidades muy diferente, con una de azúcar, los patrones de respuesta de las bacterias a MGNPs puede ser descifrado que permite la identificación de la cepa de la bacteria.
Huang señala que el principio de esto es muy similar a la forma en que nuestras lenguas se detectan diferentes sabores o cómo nuestras narices registro de olores diferentes. "Nuestra técnica es única, ya que puede ser utilizado para detectar, descontaminar, y diferenciar las bacterias utilizan el mismo sistema", dice.
Parece que esta técnica tiene un potencial comercial considerable: El glico-nanopartículas magnéticas son muy simples y baratos de fabricar. Las mitades de los hidratos de carbono en la superficie exterior se puede variar fácilmente para adaptarse a los patógenos específicos. A diferencia de los anticuerpos, que también son muy estables a temperatura ambiente y por lo tanto no necesitan instalaciones especiales para almacenar, que es un buen augurio para la aplicación de campo.
La posibilidad de utilizar este sistema, no sólo para detectar con rapidez, sino también a la descontaminación de una muestra de sospecha hace que sea especialmente atractiva.
"Nuestra prueba de demostración en principio - el uso de un sistema MGNP para identificar rápidamente y descontaminar E. coli - no sólo allana el camino para el desarrollo de nanopartículas con más hidratos de carbono complejos, pero también muestra el poder de la nanotecnología en biosensores", dice Huang. "En la próxima etapa de trabajo, usaremos glico-nanopartículas para diferenciar un gran número de diferentes patógenos. Vamos a trabajar en el aumento del límite de detección y especificidad. Además de los patógenos, también vamos a examinar la posibilidad de detectar células de cáncer utilizando este técnica ".