Engangs-chip kan afsløre salmonella på 20 minutter

Et europæisk forskningsprojekt med ni parter fra seks lande har i fællesskab udviklet et laboratorium på en chip, der måler 10×10 millimeter. Chippen forventes at koste mellem to og tre euro og kan analysere en prøve i løbet af 20 til 25 minutter.

De danske kødproducenter er begejstrede ved udsigterne til, at de hurtigt og billigt kan få analyseret kød for sygdomsfremkaldende bakterier som eksempelvis campylobacter og salmonella:

»Det vil være en stor gevinst for kødbranchen. Jeg ser rigtig, rigtig mange anvendelsesmuligheder,« siger chefkonsulent og epidemiolog i Danish Meat, Jan Dahl.

Først og fremmest kan producenterne og slagterierne i løbet af et øjeblik konstatere, om et parti dyr, kød eller halvfabrikata er sygdomsfri, og dermed øjeblikkeligt beslutte, hvordan det skal forarbejdes. Også sporing af bakterier i færdigvarer kan gøres langt hurtigere, så udbredelsen af salmonellaepidemier, som vi har set i foråret og sommeren, kan begrænses, fordi man langt hurtigere end i dag kan opspore de inficerede produkter og fjerne dem fra butikkerne.

Jan Dahl understreger, at i realiteten er tidsbesparelsen langt vigtigere end prisen.

»I dag har vi stop i processen, hvor vi bruger en dag eller to på at få laboratoriesvar. Det vil være et stort fremskridt, hvis vi kan få svar på under en halv time. Det vil jeg kalde realtime, og det giver store fordele i håndteringen og dermed i økonomien,« tilføjer Jan Dahl som dog også maner til besindighed:

»Det er ikke første gang, jeg har hørt om og fået den type systemer her demonstreret. Jeg har stadig den oplevelse til gode at se det i brug,« siger han.

DNA-analyse

For at kunne vurdere, om en prøve indeholder en given bakterie, skal DNA-materialet først isoleres og opformeres, så der er DNA nok til, at man kan analysere det. I gamle dage plantede man prøven i en vækstkultur, hvor bakterierne voksede. Det tog typisk tre til fem dage.

Men teknologien er forfinet meget inden for de seneste år. I dag kan DTU Vet give svar i løbet af tre-fire timer. Det skyldes blandt andet, at seniorforsker Dang Duong Bang fra DTU Vet i Århus sammen med kolleger har udviklet en proces, der kan vaske DNA-materialet rent for affaldsstoffer i prøver af kyllingemøg indsamlet hos bondemanden eller på slagterierne.

Ved hjælp af magnetiske partikler holdes den negativt ladede DNA-streng fast, mens det overskydende materiale skylles væk. Processen og apparatet er i brug i laboratorier kloden over som det kommercielle Kingfish-system.

DNA-strengen mangedobles

Når en enkelt eller nogle få DNA-strenge er isoleret, kan man ved hjælp af en molekylær proces kunstigt mangedoble DNA-strengen. Omtrent ligesom det foregår ved naturlig celledeling. Processen hedder Polymerase Chain Reaction, PCR, og er en metode til at opformere DNA-materiale ved hjælp af enzymer.

I praksis smeltes DNA-strengen i laboratoriet, så den kendte snoede streng bliver rettet ud og deler sig i to modsvarende halvdele. Ved hjælp af enzymer fordobles materialet med den oprindelige DNA som skabelon. Det betyder, at mængden af DNA vokser eksponentielt, når processen gentages. Og ved at gentage processen 30-40 gange kan man ud fra et enkelt eller nogle få kopier af et stykke DNA skabe millioner af kopier. Processen kræver gentagen opvarmning og afkøling samt forskellige stoffer som enzymer, nukleotider, primere og salte. Stofferne er beregnet til at opformere og synliggøre netop den del af DNA-strengen, der viser den bakterie, man leder efter.

Fra reagensglas til chip

Det er den proces, som DTU Vet i samarbejde med DTU Nanotech i Lyngby har flyttet fra laboratoriets reagensglas og ned på en såkaldt BioMems-chip med kun to mikroliter. Mems er et mikroelektromekanisk system med komponenter på mellem en og hundrede mikrometer. Indtil videre har DTU Vet testet 30 eksemplarer af laboratoriechippen, der måler 10 gange 10 millimeter. Når en smule af prøven er placeret i chippen, lægges den ind i en chipholder på størrelse med en lille tændstikæske, der sluttes til en elektronisk kontrolboks og forbindes til en almindelig pc.

»De elektroniske komponenter i enheden er billige standardkomponenter,« forklarer lektor i mikro- og nanoteknologi på DTU, Anders Wolff, der forventer, at elektronikken til at styre processen i chippen foræres væk til kunderne, der kun skal betale for forbruget af engangschips, når det færdige kommercielle system kommer på markedet.

De 30 prototyper fungerede alle fejlfrit, og det resultat stråler nærmest om kap med smilet på seniorforsker Dang Duong Bang, mens han ivrigt placerer chippen under mikroskop, så Ingeniørens udsendte kan se de små elektroder, der går igennem det lille kammer på chippen. Elektroderne kan på et sekund opvarme prøven til 95 grader for at smelte DNA-strengen.

»Når prøven og chippen er så lille, er den termiske masse ganske lille. Så den køler meget hurtigt ned igen. Afhængig af hvilken PCR-reaktion vi bruger, bliver den efterfølgende varmet op til cirka 50 grader og derefter 72 grader. Den proces vil tage flere minutter i laboratoriet, men her kan vi gøre det på få sekunder,« forklarer Dang Duong Bang, der oprindelig kommer fra Vietnam, men har arbejdet i Europa de sidste 20 år. De sidste ti hos DTU Vet i Århus.

Med den nye chip til detektering af bakterier tager det to minutter at forberede prøven, to minutter at isolere DNA og 20 minutter til de 30 gange, PCR-processen skal gentages for at få tilstrækkeligt med DNA-materiale til at kunne spore bakterierne.

I den elektroniske holder bliver chippen gennemlyst med fluorescerende lys. I PCR-processen bliver der tilsat sporstoffer til præcis den del af DNA-strengen, man ønsker at undersøge.

I holderen er også et lille kamera, der sender et billede direkte til computeren, så man med det samme kan vurdere, hvor meget fluorescerende lys, der slipper gennem det lille kammer med DNA. Jo mere lys, jo mere er der af den bakterie, man kigger efter.

Hele processen tager mindre end 25 minutter.

Kommercielt produkt

Det har taget Anders Wolff, Dang Duong Bang samt deres kolleger og ph.d.-studerende i Sverige, Polen, Tyskland, Østrig og Spanien tre år at forfine processen, så systemet nu er klar til at blive sat i produktion. Projektet har netop fået EU-midler til at fortsætte forskningen i endnu fire år, og de to danskere er lige vendt hjem fra en rundrejse til virksomheder i Tyskland for at få sat systemet i produktion.

Næste fase handler blandt andet om at udvikle en metode, så det lille laboratorium kan lægges ned på folie baseret på epoxypolymer i stedet for glaspolymerchips.

»Det vil gøre dem endnu billigere, fordi folien kan produceres i meget større partier. Chips produceres på wafers i renrum og er forholdsvis dyre at fabrikere,« siger Anders Wolff.

Forskerne på DTU Nanotech og Ikerlan i Spanien arbejder også på at udvikle en tokammerchip, hvor enzymer og andre tilsætningsstoffer er frysetørrede og leveres sammen med chippen.

»Der er masser og nye og ukendte perspektiver i den her teknik,« siger Dang Duong Bang, der blandt andet også arbejder med realtimeanalyse af fugleinfluenza.

Men først og fremmest gælder det om at få forskernes teknologi ud på markedet. j

Billedtekst: I kammeret midt på denne chip kan man udskille en DNA-streng fra en bakterieprøve og kunstigt opformere DNA-materialet eksponentielt, så det er muligt at analysere bakterieprøver. Alt sammen i løbet af få minutter.