Simultaneous detection of foodborne bacteria based on magnetic particles

Abstract

En la actualidad, está ampliamente aceptado en Europa que la investigación y la innovación son factores clave para reforzar la capacidad industrial y las perspectivas de negocios. La tecnología es necesaria para abordar los problemas del mundo, pero también lo es la investigación, que permite la aparición de tecnologías innovadoras. Por lo tanto, invertir en investigación e innovación es esencial para el desarrollo de soluciones para los desafíos sociales, como por ejemplo la seguridad alimentaria. En este contexto, surge el término KETS (Key Enabling Technologies), que permite unificar diferentes campos de la ciencia, tales como la nanotecnología, los materiales avanzados y la biotecnología, entre otros. Esto indica una clara convergencia de la tecnología en el desarrollo de nuevas soluciones. Por ejemplo, con el fin de ofrecer soluciones en seguridad alimentaria, la investigación en química analítica no está solamente basada en el desarrollo de estrategias para obtener información cualitativa y cuantitativa sobre la composición y naturaleza de las sustancias, sino que ésta ha convergido en un campo de investigación más aplicado y multidisciplinar, formando alianzas entre diferentes áreas de conocimiento a través de la ciencia. Esta nueva concepción abre la posibilidad de crear nuevos principios analíticos, procedimientos de detección automatizados o in-situ, así como sondas de detección específica o nuevos dispositivos sensores. La presente Tesis doctoral es el resultado de dicho carácter multidisciplinar de la química analítica, y con el objetivo de proporcionar soluciones a problemas relacionados con la seguridad alimentaria, se ha desarrollado un nuevo dispositivo sensor en base a conocimientos de química analítica pero también de biotecnología, microbiología y materiales avanzados. Por ello, el primer apartado de este trabajo pretende ser una introducción general sobre la inocuidad de los alimentos y su importancia a nivel mundial, haciendo especial énfasis en los patógenos alimentarios emergentes responsables de los principales brotes y la contribución de la tecnología de los biosensores como factor conductor para el desarrollo de nuevas metodologías para la detección de bacterias transmitidas por los alimentos mediante técnicas de multiplexado. Además, se discutirá también la integración de nuevos materiales con dimensiones nano/micrométricas en biosensores electroquímicos, destacando algunas de las ventajas de las partículas magnéticas: i) su capacidad para preconcentrar las bacterias presentes en muestras complejas mediante una reacción inmunológica ii) us uso como plataforma para el bioreceptor en los dispositivos de biosensores iii) o como soporte para la inmovilización magnética en la superficie de un electrodo de trabajo por atracción magnética. Los métodos de detección para seguridad alimentaria actuales han permitido un avance significativo en relación al desarrollo de métodos rápidos y sensibles, en los que la implementación de bioensayos con capacidad de multiplexado es una de las tendencias emergentes. Sin embargo, se han descrito pocas estrategias basadas en biosensores electroquímicos para la detección simultánea de bacterias en alimentos. Por esta razón, en el presente trabajo se propone desarrollar un biosensor electroquímico que detecte simultáneamente Salmonella enterica, Listeria monocytogenes y Escherichia coli, basado en el uso de partículas magnéticas. Las estrategias presentadas en esta Tesis doctoral se basan por un lado en un reconocimiento electroquímico inmunológico, que proporciona la detección de las células bacterianas, y por otro un reconocimiento genético, que permite la detección del ADN bacteriano. Estas dos estrategias se combinan con un paso de separación inmunomagnética que da lugar a la captura y preconcentración de las bacterias a partir de muestras de alimentos. Así, se ha realizado un estudio de las partículas magnéticas de diferentes tamaños (micro y nanométrica), para después efectuarse la separación inmunomagnética de S. enterica, L. monocytogenes y E. coli. Además, se han comparado posteriormente las dos estrategias para la detección de Salmonella, usándose como modelo muestras leche. Finalmente, se describe una estrategia de PCR multiplexada combinada con un magneto-genosensor electroquímico usando partículas magnéticas de sílice para la detección simultánea de S. enterica, L. monocytogenes y E. coli.

Nowadays, it is widely recognised in Europe that research and innovation are key factors to reinforce the industrial capacities and business perspectives. We need technology to address world´s problems, but we also need research to develop innovative technologies. Therefore, investing in research and innovation is essential to develop solutions for societal challenges, as for instance Food Safety. In this context, it comes out the term KETs (Key Enabling Technologies) to unify different fields across science, such as Nanotechnologies, Advanced materials, Biotechnology, among others. This indicates a clear convergence of technologies to address new solutions. For instance, analytical chemistry research is not only based anymore on the development of strategies to obtain qualitative and quantitative information about the composition and nature of substances. In order to provide solutions in food safety, analytical chemistry research has been converging into a more applied and multidisciplinary research field, forming alliances between different fields across science. This opens the possibility for the creation of new analytical principles, automated or in-situ detection procedures, as well as specific detection probes or new sensing devices. This Dissertation is a result of the multidisciplinary character of analytical chemistry. The aim of providing solutions to problems related to food safety bonds different science fields as analytical chemistry, biotechnology and advanced materials for the development of a new sensing device. Therefore, it is intended to give a general introduction about food safety and its importance worldwide, with special focus on the emerging foodborne pathogens responsible for the main outbreaks and the contribution of biosensors technology as the driver factor for the development of new methodologies for foodborne bacteria detection with multiplexing capabilities. Furthermore, the integration of new materials with nano/micrometer dimensions on electrochemical biosensors will be also discussed, highlighting some advantages of the use of magnetic particles: i) preconcentration of the bacteria from complex samples through an immunological reaction, ii) as a platform for the biorecognition element in the biosensing devices iii) as a support for the magnetic immobilisation on the surface of a working electrode under magneto-actuation. The current state of art for detection methods for food safety shows a significant progress relative to the development rapid and sensitive methods, in which the implementation of bioassays with multiplexing capabilities is one of the emergent trends. However, few approaches based on electrochemical biosensors for the simultaneous detection of foodborne bacteria have been reported. For this reason, it is proposed to develop an electrochemical biosensor for the simultaneous detection of Salmonella enterica, Listeria monocytogenes and Escherichia coli, based on the use of magnetic particles. The strategies presented in this Dissertation are based on electrochemical magneto-immuno and genosensing, in which electrochemical magneto-immunosensing provides the detection of whole bacterial cells, whereas the electrochemical magneto-genosensing provides the detection of the bacterial DNA. These two strategies are combined with an immunomagnetic separation step to capture and preconcentrate bacteria from food samples. Hence, a study of different magnetic particles with micro and nanometer sizes will be achieved for the immunomagnetic separation of S. enterica, L. monocytogenes and E. coli. Afterwards, electrochemical magneto-immuno and genosensing will be compared for the detection of Salmonella in milk, as a model. Finally, triple-tagging multiplex PCR combined with an electrochemical magneto-genosensor using silica magnetic particles as a platform will be reported for the simultaneous detection of S. enterica, L. monocytogenes and E. coli.