Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Qualitätssicherung und Analytik: Ausgabe 05/2014, 05.05.2014

Schnelle Analysen vermindern Risiken

Pathogene Keime auf Lebensmitteln waren in der Vergangenheit für gravierende Krankheitsausbrüche verantwortlich. Um solche Ereignisse künftig frühzeitig erkennen zu können, haben Wissenschaftler schnelle Analysenmethoden entwickelt und erprobt.

Autor: David Drissner, Agroscope, Institut für Lebensmittelwissenschaften und René Brunisholz, Functional Genomics Center Zurich

Die EHEC-Epidemie 2011 in Deutschland und Krankheitsausbrüche in den USA, verursacht durch roh verzehrte pflanzliche Frischprodukte, haben gezeigt, wie gefährlich pathogene Keime, wie zum Beispiel Escherichia coli, Salmonella enterica oder Listeria mono­cytogenes, in Lebensmitteln sein können. Neue Methoden sollen es ermöglichen, solche Keime schneller und genauer zu identifizieren. Das ist für die Sicherheit von Lebensmitteln zentral. Verzehren Personen pflanzliche Frischprodukte, welche mit pathogenen Keimen verunreinigt sind, dann kann dies zu Krankheitsausbrüchen führen, was weltweit vorkommt. Die Verunreinigungen können aus verschiedenen Quellen stammen und bereits vor der Ernte oder während der Verarbeitung mit dem Lebensmittel in Berührung kommen.
Schnelle Analysen. Um die mikrobiologische Sicherheit von pflanzlichen Lebensmitteln zu gewährleisten, müssen die Identifikationsmethoden pathogene und unerwünschte Keime rasch und spezifisch erkennen können. Wissenschaftler der Forschungsanstalt Agroscope und des Functional Genomics Center Zurich haben eine neue Massenspektrometrie-basierte Methode im Einsatz, die diesen Nachweis von Mikroorganismen erlaubt.
Die Identifikation mittels «Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time Of Flight»-(MALDI-TOF-)Massenspektro­metrie basiert auf der Analyse von sogenannten Protein-Fingerabdrücken und dem Abgleich dieser Fingerabdrücke mit einer Referenzdatenbank, welche die genauen Massen der Proteine enthält (MALDI Biotyping). Diese Methode hat sich in den letzten Jahren vor allem im Bereich der klinischen Diagnostik weit verbreitet und die Arbeiten in mikrobiologischen Labors revolutioniert. Gründe hierfür liegen in der kurzen «Time to Result» sowie einem einfachen und kosteneffizienten Probenaufbereitungs- und Analysenprotokoll, das die Identifikation in weniger als 20 Minuten erlaubt.

Gelungene Zusammenarbeit. Ein Kooperationsprojekt zwischen Agroscope und dem Functional Genomics Center Zurich (FGCZ) zielt darauf ab, die Schnelligkeit und Genauigkeit der Identifikation weiter zu erhöhen. Hierbei verwenden die Forscher nicht Pro­tein-Fingerabdrücke, sondern spezifische Peptid-Fingerabdrücke, um die Keime unterhalb der Art-Ebene zu bestimmen. Um aus den Proteinextrakten rasch und umfassend Peptide generieren zu können, führten die Experten – im Rahmen der Kooperation – den Trypsinverdau erstmalig erfolgreich unter Anwendung von «High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU)» durch. Die Peptide identifizierten sie anschlies­send mittels MALDI-TOF/TOF-Massenspektrometrie.
Die Verwendung von Peptiden als Biomarker erweitert stark den Massenbereich und den Typ von Proteinen im Vergleich zur klassischen MALDI-Identifikation. Dies resultiert in einer genaueren Unterscheidung, was beispielsweise für die Rückverfolgbarkeit von Kontaminationsquellen bei Lebensmitteln von zentraler Bedeutung ist.
Forschungsschwerpunkt. Im Mittelpunkt der aktuellen Forschung stehen Erreger, die bereits in verschiedenen Ländern zu Krankheitsausbrüchen bei roh verzehrten pflanzlichen Lebensmitteln geführt haben. So kam jüngst die oben beschriebene, neu entwickelte Methode mit dem Zweck zum Einsatz, spezifische Peptid-Biomarker für Subspezies von Salmonella enterica mittels MALDI-TOF/TOF-Massenspektrometrie zu identifizieren. Im Vergleich zum klassischen MALDI Biotyping detektierten die Wissenschaftler eine 10-fach höhere Anzahl an Proteinen.
Insgesamt bietet diese neue Methode eine noch raschere und zugleich genauere Klassifikation von Mikroorganismen. Ein weiterer innovativer Ansatz, den Experten aktuell erforschen, ist der schnelle Nachweis von Antibiotikaresistenzen bei identifizierten Mikroorganismen mittels MALDI-Massenspektrometrie. Die Arbeiten tragen gesamthaft zur Erhöhung der Lebensmittelsicherheit in der pflanzlichen Wertschöpfungskette bei.

Weitere Informationen:
Institut für Lebensmittelwissenschaften, ILM, Agroscope
www.agroscope.ch


Die in diesem Artikel beschriebene Thematik und Methodik wurde 2013 im Rahmen der
«Scientifica 13 – Zürcher Wissenschaftstage» der interessierten Öffentlichkeit vorgestellt.



Bruker microflex (A) und ultrafleXtreme (B) für klassisches MALDI Biotyping beziehungsweise den neu entwickelten Workflow. High-Intensity-Focused-Ultrasound-(HIFU-)Instrument zur Beschleunigung des Trypsinverdaus im Workflow (C) und Flugrohr des ultrafleXtreme (D)


Ablauf einer schnellen Identifikation von Mikroorganismen mittels Proteinprofilierung durch MALDI Biotyping


Bereits in der Vorerntephase gibt es verschiedene Quellen für Verunreinigungen durch Keime, die beim Verzehr zu ernsthaften Erkrankungen und in Extremfällen zum Tod führen können