Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Dyfrakcja laserowa – innowacyjna metoda identyfikacji mikroorganizów
Dyfrakcja laserowa – innowacyjna metoda identyfikacji mikroorganizów
Szybkość i precyzja podczas detekcji oraz identyfikacji mikroorganizmów są największymi wyzwaniami stojącymi przed współczesną mikrobiologią, a także wieloma gałęziami przemysłu. Innowacyjna metoda dyfrakcji laserowej może się okazać rozwiązaniem dedykowanym mikrobiologii, na które od dawna czeka rynek kosmetyków. Na czym polega rozwiązanie mogące zrewolucjonizować proces badawczy w laboratoriach? W skrócie można powiedzieć, że pozwala ono na uzyskanie „odcisku palca” badanych drobnoustrojów w postaci wzorców uzyskanych dzięki dyfrakcji światła na ich koloniach. Jaka jest geneza tej metody?

 

Istotą tej metody jest wykorzystanie specyficznego oddziaływania promieniowania laserowego z makroskopowymi obiektami biologicznymi, jakimi są kolonie mikroorganizmów i wykorzystanie tej informacji do ich identyfikacji. Jest to możliwe, ponieważ cechy genotypowe komórek różnych gatunków np. bakterii, zawarte w materiale genetycznym, przekładają się nie tylko na ich indywidualne cechy fenotypowe (budowę, kształt, metabolizm), ale także na formowane przez nie makroskopowe struktury biologiczne, jakimi są kolonie bakterii. Co więcej, przeprowadzone badania wykazały, że kolonie różnych gatunków bakterii mają, nie tylko unikalne i jedynie sobie przypisane cechy morfologiczne (kształt, profil), ale także właściwości optyczne (współczynnik transmisji, współczynnik załamania światła). W wyniku specyficznego oddziaływania monochromatycznego promieniowania laserowego z koloniami mikroorganizmów, generują one charakterystyczne tylko dla swojego gatunku wzorce optyczne w postaci rozkładu przestrzennego natężenia światła ugiętego, tzw. widm dyfrakcyjnych Fresnela. Pomimo tego, że wzorce optyczne kolonii drobnoustrojów zmieniają się w zależności od stadium rozwoju oraz warunków inkubacji i nie zawsze wyglądają tak samo, to nadal stanowią źródło nieocenionych informacji pozwalających na identyfikację badanych drobnoustrojów. Tu na pomoc naukowcom przyszły samouczące się algorytmy komputerowej analizy informacji obrazowej pozwalające na wyodrębnienie z wzorców szeregu cech ilościowych, specyficznych dla konkretnego gatunku bakterii, grzybów czy innych drobnoustrojów. Następnie, zaawansowane metody statystyczne pozwoliły wybrać spośród tych cech ilościowych te najlepiej charakteryzujące daną kolonię. W oparciu o nie zostały opracowane modele klasyfikacyjne, które pozwalają na uzyskanie informacji na temat gatunku mikroorganizmów.

Skuteczność identyfikacji drobnoustrojów metodą dyfrakcji laserowej jest bliska 98%, czyli pozwala na uzyskanie efektywności zbliżonej do analizy genetycznej. Co więcej, ta metoda ma nieniszczący oraz bezkontaktowy charakter pomiaru oraz umożliwia identyfikację mikroorganizmów przy użyciu ogólnego podłoża agarowego. Nie wymaga wykorzystania dodatkowych odczynników chemicznych, znaczników fluorescencyjnych lub też immunologicznych. Może zostać wykorzystana przez laboratoria do analizy mikrobiologicznej i całkowicie wyeliminować konieczność użycia klasycznych metod.

Pracę nad wynalezieniem techniki dyfrakcji laserowej trwały ponad 10 lat. Wszystko zaczęło się na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej, gdzie dr inż. Igor Buzalewicz, dr inż. Agnieszka Suchwałko oraz prof. Halina Podbielska rozpoczęli badania nad innowacyjną metodą identyfikacji mikroorganizmów. Specjalnie do tego celu został zaadaptowany układ korelatora optycznego umożliwiający rejestrację wzorców optycznych kolonii drobnoustrojów. Od 2015 roku technika ta jest rozwijana i wdrażana przez wrocławski startup Bioavlee. Interdyscyplinarna grupa specjalistów z zakresu inżynierii biomedycznej, optyki, statystycznej analizy danych, mikrobiologii, diagnostyki laboratoryjnej oraz elektroniki i mechatroniki, pracuje nad kompleksowym rozwiązaniem dla laboratoriów oraz ośrodków zajmujących się identyfikacją mikrobiologiczną dla przemysłu kosmetycznego, farmaceutycznego, a także spożywczego.

Kontaminacja mikrobiologiczna jest szczególnie newralgicznym punktem właśnie w przemyśle kosmetycznym, jednym z bardziej dochodowych na świecie. Według raportu „World Cosmetics Market – Opportunities and Forecasts, 2014-2022” w okresie 2016-2022 dochód tej branży będzie rósł w tempie 4,3%. Polska jest obecnie jednym z największych producentów kosmetyków w Europie. Zgodnie z danymi zaprezentowanymi przez Polski Związek Przemysłu Kosmetycznego w 2016 roku odnotowano 12%-owy wzrost wolumenu sprzedaży kosmetyków, a wzrost wartości sprzedaży aż o 16% w stosunku do roku 2015.

Zanieczyszczenie produktów kosmetycznych może stać się nie tylko główną przyczyną strat wizerunkowych, a w konsekwencji ekonomicznych, ale także doprowadzić do negatywnego wpływu na zdrowie konsumenta. Wśród najczęściej pojawiających się infekcji, wyróżniają się te spowodowane przez Pseudomonas aeruginosa, bakterie odpowiadającą za zakażenia oka. Może zostać przeniesiona szczoteczką z zanieczyszczonego np. tuszu do rzęs.

Skażenie mikrobiologiczne (zanieczyszczenie pierwotne) może nastąpić w czasie produkcji kosmetyków lub też może wynikać z nieodpowiedniego stosowania produktów kosmetycznych (zanieczyszczenie wtórne). Podstawowym działaniem zapobiegającym skażeniu pierwotnemu jest eliminacja potencjalnego zagrożenia na etapie produkcji. W tym przypadku nieoceniona jest właśnie metoda identyfikacji mikroorganizmów z wykorzystaniem dyfrakcji laserowej.

Bioavlee pracuje nad 3 urządzeniami mającymi zoptymalizować przebieg procesu identyfikacji drobnoustrojów: Quantica 500 to licznik kolonii umożliwiający automatyczne zliczanie nawet zlanych grup mikroorganizmów, Avlee 650 jest urządzeniem do wykrywania drobnoustrojów, który działa w oparciu o system składający się z algorytmów klasyfikacji, referencyjnej bazy zdjęć, sterowania przetwarzaniem obrazu czy atlasów w chmurze i rozbudowanej infrastruktury IT do analityki oraz InoMate 100k – dzięki niemu możliwy jest automatyczny posiew redukcyjny, gwarantujący laborantowi pełną kontrolę nad posiewem. Wykorzystując technikę dyfrakcji laserowej do identyfikacji mikroorganizmów, branża kosmetyczna jest w stanie z jednej strony znacznie obniżyć koszty badań laboratoryjnych, a z drugiej skrócić ich czas nawet do 20-24 godzin od posiewu do uzyskania dokładnego wyniku. Co również jest istotne, automatyzacja procesów pomiarowych w urządzeniach Bioavlee pozwala zmniejszyć zaangażowanie personelu, a w tym samym ryzyko błędu w wynikach. Bioavlee ma już gotowy prototyp Quantica 500 do testów, a pozostałe urządzenia są w fazie testów wewnętrznych, które mają się zakończyć w przyszłym roku. Urządzenia Bioavlee będą miały bardzo szerokie zastosowanie, zarówno w przemyśle kosmetycznym, spożywczym, jak i weterynaryjnym.

KOMENTARZE
Newsletter