SIPORE

Waarom dit project? 

Microbiologische analyses zijn ‘key’ voor elk voedingsbedrijf en hun belang is nog aan het stijgen als gevolg van steeds strengere voedselveiligheidsreglementeringen in de EU, exportvereisten en extralegale specificaties in lastenboeken. Daarbij zetten controle-organismen ook meer en meer performante technologieën zoals Whole Genome Sequencing (WGS) in.  Bovendien zijn ‘in-house’ microbiologische analyses essentieel in de proces- en productkwaliteitscontrole van voedingsbedrijven die gefermenteerde producten produceren. Dit is vooral belangrijk bij complexe fermentaties waarbij een populatie aan micro-organismen is betrokken of wanneer achtergrond-microbiota in het product aanwezig zijn.

Nieuwe ontwikkelingen in biosensor- en DNA sequentiebepalingstechnologie bieden agro-voedingsbedrijven evenwel opportuniteiten om ‘on site’ microbiologische analyses uit te voeren en dit tot op een ongezien niveau: zowel op het vlak van detectie, kwantificering als karakterisering. In dit opzicht zijn twee geavanceerde technologieën veelbelovend: het SIP-biosensorsysteem, ontwikkeld aan KU Leuven en het Mini DNA sequentiebepalingssyteem, ontwikkeld o.b.v. technologie van Oxford University. Elektrochemische SIP biosensoren bestaan uit chips die een ‘receptorlaag’ (coating) van ‘Surface Imprinted Polymers’ bevatten die gefunctionaliseerd zijn om een specifiek micro-organisme te binden (‘whole-cell receptors’). In een eerdere proof-of-concept studie werden dergelijke chips met lithografische technieken gemaakt en werd de specificiteit van de interactie met de modelorganismen E. coli en Saccharomyces cerevisiae via een hitte transfer methode vastgesteld. Het Mini DNA sequentiebepalingssyteem, op de markt gebracht als MinION door Oxford Nanopore Technologies, kan dan weer veel sneller en handiger DNA-sequenties bepalen.

Onderzoeksaanpak en resultaten

SIPORE was een collectief, fundamenteel onderzoeksproject (type SBO) met als doel om de opportuniteiten die de SIP-biosensor en nanopore DNA-sequentiebepaling bieden voor microbiologische analyses in de agro-voedingsindustrie te ontluiken. Dit werd bereikt door ‘proof-of-concept’ te leveren, hun performantie na te gaan en te verbeteren, protocols te optimaliseren en verder onderzoek te doen om hun praktijktoepassing dichtbij de bedrijven te brengen. 

Het uitgevoerde onderzoek kaderde in volgende doelstellingen:

• Het bestuderen van de mogelijkheden van het SIP biosensor systeem om voor de voedingsindustrie belangrijke bacteriën (voedselpathogenen) te detecteren en te kwantificeren. Tevens werden er daarbij technieken onderzocht die met potentieel de SIP chips op grotere schaal te kunnen produceren en werd er een regeneratieprotocol voor het hergebruik van de chips op punt gesteld. Verder werd ook onderzoek uitgevoerd om het meetprincipe te perfectioneren en nog gevoeliger te maken (dan deze op basis van hitte transfer). Concreet resulteerde dit in een ‘proof-of-concept’ waarbij prototype SIP-chips voor de specifieke detectie van Listeria monocytogenes en Salmonella enterica serovar Enteritidis werden toegepast in een nieuw prototype biosensors syteem met ‘elektrochemische impedantie spectroscopie’ als meetprincipe. De opschaling van de productie van de SIP-chips blijft echter een uitdaging vooraleer dit concept in de praktijk kan worden toegepast.
• Het bestuderen van de mogelijkheden van het MinION sequentiebepalingssyteem voor karakterisering van targetorganismen tot op subspeciesniveau. Stammen van Salmonella en Listeria monocytogenes fungeerden ook hierbij als model omdat daar internationaal aanvaarde typeringsschema’s voor bestaan. Een ruime en diverse set stammen van beide organismen werden getest, waarbij Minion DNA sequentiebepaling WERD ‘gebenchmarkt’ ten opzichte van Illumina DNA sequentiebepaling. Verschillende algoritmes dienden getest te worden voor de verschillende stappen van een bio-informatische ‘pipeline’ om te komen tot een betrouwbare DNA sequentie van een volledig genoom (‘WGS’). Andere bio-informatische algoritmes werden dan weer ingezet voor stamtypering op basis van vergelijkende analyses tussen de genomen van verschillende stammen (tot op SNP niveau). Verder werden geassembleerde genomen op zich ook nog geanalyseerd om inzicht te krijgen in de genoom architectuur en om uit te zoeken welke relevante en interessante genen er in konden worden gedetecteerd.
• Inzicht verwerven in de mogelijke koppeling van het SIP biosensorsysteem met het MinION sequentiebepalingssyteem. Het experimenteel onderzoek beperkte zich hier ook tot het uitwerken van milde protocols waarmee gebonden bacteriecellen levend van de SIP receptorlaag konden worden vrijgesteld, waardoor via daaropvolgende DNA extractie de link met MinION kan worden gelegd

Doelgroep

Aangezien microbiologische analyses belangrijk zijn voor alle voedingsbedrijven is dit cSBO project relevant voor alle bedrijven van de hele agrovoedingssector. SIPORE legde de basis voor verdere toepassingsgerichte ontwikkelingen van het SIP biosensorsysteem die de implementatie ervan in de praktijk dichtbij brengt. Tevens leverde het project bedrijven inzicht in de mogelijkheden van MinION nanopore DNA sequentiebepaling voor point-of-care microbiologische analyses en leverde het praktisch bruikbare kennis om ermee aan de slag te gaan. De combinatie van SIP-technologie met draagbare DNA-sequencing toestellen kan een doorbraaktechnologie worden die bedrijven toelaat om microbiologische analyses tot op stamniveau uit te voeren op ‘de werkvloer’. 

Kortom, het valorisatieperspectief van het project ligt in het feit dat het doorsnee agro-voedingsbedrijven op termijn in staat zal stellen om vroegtijdig, snel, praktisch en zonder grote investeringen microbiologische analyses ‘on site’ uit te voeren en dit op een niveau en tot een gehalte dat momenteel niet mogelijk is. De impact hiervan is dat terugroepacties, productafkeuringen en voedselgebonden uitbraken gereduceerd kunnen worden.

Projectpartners

Flanders’ FOOD beheerde en coördineerde het onderzoeksproject. De wetenschappelijke uitvoering was in handen van: 

• Eenheid Fysica van Zachte Materie en Biofysica (ZMB) van het Departement Natuurkunde en Sterrenkunde, Faculteit Wetenschappen van KU Leuven (Prof. Dr. Patrick Wagner)  
• Eenheid Technologie en Voeding van het Instituut voor Landbouw-, Visserij- en Voedingsonderzoek (Prof. Dr. Marc Heyndrickx)
• Eenheid Livestock Gut Health Team Ghent (LIGHT) van de vakgroep Pathobiologie, Farmacologie en Zoölogische Geneeskunde, Faculteit Diergeneeskunde van Universiteit Gent (Prof. Dr. Gunther Antonissen and Prof. Dr. Filip Van Immerseel)

Deelnemen?

SIPORE start op 1 april 2022 en loopt tot 31 maart 2024. Heb je interesse in dit project? Goed nieuws! We zoeken nog steeds bedrijven die deel willen uitmaken van de industriële adviesraad en die zo de projectresultaten van op de eerste rij te horen krijgen en deze kritisch kunnen bespreken met de SIPORE-onderzoekers vanuit het oogpunt van industriële toepassing. Dit verhoogt de garantie dat de resultaten van direct nut zullen zijn voor industriële stakeholders. Neem zeker contact op met Steven Van Campenhout van Flanders' FOOD voor meer informatie.