گامی نو در تشخیص سریع آلودگی غذایی

دکتر سید مرتضی حسینی (استاد راهنما)  و مهندس صبا مستجاب الدعواتی 

میز خبری معاونت پژوهش و فناوری دانشگاه تهران:

گفت‌وگو با مهندس صبا مستجاب‌الدعواتی، دانش‌آموخته کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی علوم زیستی دانشگاه تهران، به مناسبت انتخاب پایان‌نامه ایشان به عنوان پایان‌نامه نمونه در جشنواره پژوهش و فناوری سال ۱۴۰۴ دانشگاه تهران.

اهمیت تشخیص سریع E. coli در مواد غذایی

پایان‌نامه من با عنوان «تشخیص باکتری اشریشیا کلی (E. coli) در نمونه‌های غذایی و آب با استفاده از حسگر زیستی مبتنی بر بلور مایع به کمک یادگیری ماشین» انجام شده است. باکتری E. coli یکی از عوامل اصلی مسمومیت‌های غذایی، اسهال خونی، عفونت‌های ادراری و حتی مرگ، به‌ویژه در کودکان و سالمندان، محسوب می‌شود.

سالانه میلیون‌ها مورد بیماری در اثر آلودگی آب و غذاهای خام مانند شیر، گوشت و سالاد ایجاد می‌شود؛ به همین دلیل تشخیص سریع این باکتری در مواد غذایی اهمیت زیادی دارد. در حال حاضر بسیاری از روش‌های رایج تشخیص زمان‌بر و پرهزینه هستند، بنابراین توسعه حسگری که بتواند آلودگی را به سرعت شناسایی کند می‌تواند به کنترل بهتر آلودگی و حفظ سلامت عمومی کمک کند.

در این پژوهش ما یک حسگر نوری سریع و کم‌هزینه طراحی کردیم که مانند یک «چشم هوشمند» عمل می‌کند. این حسگر از بلورهای مایع، که ماده‌ای میان حالت جامد و مایع هستند، و آپتامرها که مولکول‌های مصنوعی با توانایی اتصال اختصاصی به باکتری هستند، استفاده می‌کند. در صورت حضور باکتری E. coli در نمونه، نور عبوری از سامانه تغییر می‌کند و الگوهای نوری متفاوتی ایجاد می‌شود. این تغییرات با استفاده از میکروسکوپ پلاریزه ثبت شده و با نرم‌افزار ImageJ اندازه‌گیری می‌شوند و سپس با کمک الگوریتم‌های یادگیری ماشین تحلیل می‌گردند تا غلظت باکتری موجود با دقت پیش‌بینی شود.

تصاویر میکروسکوپ نوری پلاریزان (الف) شبکه پارچه خالی، (ب) مولکول های بلور مایع احاطه شده توسط هوا، (ج) مولکول های بلور مایع در حضور CTAB، (د) مولکول های بلور مایع در حضور آپتامر، (ه) مولکول‌های بلور مایع در حضور CTAB و آپتامر (و) مولکول‌های بلور مایع در حضور CTAB، آپتامر و E. coli

مزیت روش پیشنهادی نسبت به روش‌های متداول

روش‌های سنتی شناسایی باکتری‌ها مانند کشت و شمارش کلنی، ELISA و PCR اگرچه دقیق هستند، اما معمولاً زمان‌بر بوده و به تجهیزات گران‌قیمت و نیروی متخصص نیاز دارند. در این پژوهش ما یک آپتاسنسور سریع و ساده مبتنی بر بلور مایع برای ارزیابی E. coli در نمونه‌های آب و آبمیوه توسعه دادیم. این سامانه توانست باکتری E. coli را تنها در مدت پنج دقیقه و با حساسیت بالا (۶ cfu/ml) شناسایی کند که نشان‌دهنده برتری این روش نسبت به بسیاری از روش‌های موجود است. علاوه بر این، حسگر قابلیت استفاده در محل را دارد و برای کار با آن نیاز به تجهیزات پیچیده یا تخصص بالا نیست.

برای بهبود عملکرد سامانه سنجش و استفاده بهتر از داده‌های تصویری، از الگوریتم‌های یادگیری ماشین نیز استفاده کردیم. این الگوریتم‌ها به ما کمک کردند تا داده‌های بیشتری از تصاویر استخراج کنیم و سرعت و دقت شناسایی و تعیین میزان آنالیت مورد نظر افزایش یابد.

شماتیک آپتاسنسور مبنی بر بلور مایع برای تشخیص باکتری E.coli

چالش‌ها و مهم‌ترین دستاوردهای پژوهش

در طول انجام این پروژه با چالش‌های فنی متعددی روبه‌رو شدیم. از جمله این چالش‌ها می‌توان به تنظیم دقیق ترکیبات شیمیایی برای ایجاد اتصال پایدار بدون ایجاد اختلال در ساختار بلور مایع، کنترل نویزهای محیطی در نمونه‌های واقعی با غلظت‌های مختلف باکتری، استخراج ویژگی‌های کلیدی از تصاویر خام و همچنین تأثیر نور محیط بر کیفیت تصویربرداری اشاره کرد. ما با انجام آزمایش‌های مکرر و استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین توانستیم تا حد زیادی این مشکلات را برطرف کنیم و انتخاب‌پذیری حسگر را در برابر باکتری‌های مشابه و آلاینده‌های غذایی تضمین کنیم.

نتایج این پژوهش نشان داد که سامانه طراحی‌شده عملکرد بسیار قابل‌توجهی دارد. این حسگر در نمونه‌های واقعی دقت بالایی از خود نشان داد و ضریب همبستگی پیش‌بینی غلظت باکتری در نمونه‌های آب ۰.۹۸۶ و در آبمیوه ۰.۹۷۸ به دست آمد. همچنین زمان پاسخ سامانه تنها پنج دقیقه است و هزینه تولید آن نسبت به بسیاری از روش‌های موجود پایین‌تر است. علاوه بر این، پلتفرم طراحی‌شده انعطاف‌پذیر است و با جایگزینی آپتامر اختصاصی می‌توان از آن برای تشخیص سایر باکتری‌ها مانند سالمونلا یا لیستریا و حتی پاتوژن‌های ویروسی یا آلاینده‌های دیگر نیز استفاده کرد.

امکان استفاده عملی در صنعت و آزمایشگاه

به نظر من این سامانه می‌تواند برای شناسایی در محل باکتری‌ها در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج به‌دست‌آمده از نمونه‌های واقعی آب و آبمیوه که دارای ماتریس‌های نسبتاً پیچیده هستند نشان داد که این حسگر توانایی تشخیص باکتری در محیط‌های واقعی را دارد و حتی در مقیاس‌های بزرگ‌تر نیز قابل استفاده است.

برای توسعه بیشتر این فناوری پیشنهاد می‌کنیم که با استفاده از فیلم‌های پلاریزه کاغذی و طراحی یک اپلیکیشن مناسب، تنظیمات قابل حمل‌تری ایجاد شود تا در نهایت بتوان یک سامانه سنجش مبتنی بر تلفن همراه توسعه داد. با انجام آزمایش‌های تکمیلی، این سامانه می‌تواند به مرحله اجرا نزدیک شود. برآورد ما این است که انجام تست‌های تکمیلی حدود سه تا شش ماه زمان ببرد و در صورت موفقیت، امکان استفاده عملی از این فناوری طی یک تا دو سال آینده فراهم شود.

احساس و چشم‌انداز آینده پژوهش

برگزیده شدن پایان‌نامه‌ام در جشنواره پژوهشی دانشگاه تهران برای من لحظه‌ای بسیار ارزشمند و انگیزه‌بخش بود. این موفقیت را حاصل زحمات و راهنمایی‌های استادان ارجمندم، دکتر سید مرتضی حسینی و دکتر محمد محمدی مسعودی می‌دانم و از آنان صمیمانه سپاسگزارم. به نظر من چشم‌انداز این پژوهش روشن است و امیدوارم در ادامه مسیر با نوآوری‌های بیشتر بتوانم در توسعه حسگرهای زیستی و ارتقای امنیت غذایی نقش مؤثری ایفا کنم.

شرکت پارس مدیکیو و بنیاد فرهنگی مصلی نژاد، حامی میز خبری معاونت پژوهش و فناوری دانشگاه تهران