Accelerating food safety and quality control: The use of antibody engineering techniques in the detec-tion of low-molecular weight food contaminants

Abstract

The increased awareness and evolved consumer habits have set more demanding standards for the quality and safety control of food products. The production of foodstuffs which fulfill these standards can be hampered by different low-molecular weight contaminants. Such compounds can consist of, for example residues of antibiotics in animal use or mycotoxins. The extremely small size of the compounds has hindered the development of analytical methods suitable for routine use, and the methods currently in use require expensive instrumentation and qualified personnel to operate them. There is a need for new, cost-efficient and simple assay concepts which can be used for field testing and are capable of processing large sample quantities rapidly. Immunoassays have been considered as the golden standard for such rapid on-site screening methods. The introduction of directed antibody engineering and in vitro display technologies has facilitated the development of novel antibody based methods for the detection of low-molecular weight food contaminants.

The primary aim of this study was to generate and engineer antibodies against low-molecular weight compounds found in various foodstuffs. The three antigen groups selected as targets of antibody development cause food safety and quality defects in wide range of products: 1) fluoroquinolones: a family of synthetic broad-spectrum antibacterial drugs used to treat wide range of human and animal infections, 2) deoxynivalenol: type B trichothecene mycotoxin, a widely recognized problem for crops and animal feeds globally, and 3) skatole, or 3-methyindole is one of the two compounds responsible for boar taint, found in the meat of monogastric animals.

This study describes the generation and engineering of antibodies with versatile binding properties against low-molecular weight food contaminants, and the consecutive development of immunoassays for the detection of the respective compounds.

Elintarvikkeiden turvallisuuteen ja laadunvalvontaan kiinnitetään muuttuneiden kuluttajatottumusten vuoksi yhä enemmän huomiota sekä tuottajien että viranomaisten toimesta. Elintarvikkeiden turvallisuutta heikentää laaja kirjo erilaisia pienikokoisia haitta-aineita kuten antibiootteja ja homemyrkkyjä, jotka kulkeutuvat elintarvikkeiden mukana ihmisiin. Globaalien markkinoiden ja lisääntyvän tutkimustiedon myötä näiden pienikokoisten haitta-aineiden lukumäärä kasvaa jatkuvasti, mikä tekee elintarvikkeiden turvallisuuden- ja laadunvalvonnasta haastavaa.

Elintarvikkeissa esiintyvien haitallisten yhdisteiden pieni koko vaikeuttaa etenkin uusien elintarvikkeiden turvallisuutta ja laatua valvovien määritysten kehittämistä. Useat nykyisin käytössä olevat tekniikat vaativat kalliita laitteita ja niiden käyttöön koulutettua henkilökuntaa, joten nykyisten menetelmien rinnalle on tarpeellista kehittää uusia halvempia ja helppokäyttöisempiä määrityksiä, joilla voidaan käsitellä suuria näytemääriä kerralla ja jotka soveltuvat myös elintarvikkeiden tuottajien käyttöön. Vasta-ainemääritykset ovat laajasti käytössä oleva seulontamenetelmä, jolla voidaan saavuttaa edellä mainittu tavoite. Käyttökelpoisten vasta-ainemääritysten kehittämistä etenkin pienmolekyylien kohdalla on kuitenkin hidastanut kohteena olevien yhdisteiden erittäin pieni koko ja joissain tapauksessa myös niiden myrkyllisyys. Vasta-ainemuokkaustekniikoiden kehitys on mahdollistanut vasta-aineiden kehittämisen lähes mille tahansa kohteelle. Lisäksi tekniikoiden avulla on mahdollista muokata vasta-aineiden sitomisominaisuuksia kuten affiniteettia ja spesifisyyttä monipuolisesti.

Väitöstutkimuksessa tavoitteena oli muokata pienikokoisia haitta-aineita tunnistavien vasta-aineiden sitomisominaisuuksia faaginäyttö- ja proteiininmuokkastekniikoiden avulla elintarviketurvallisuuden ja laadunvalvonnan edistämiseksi. Tutkimuskohteena oli kolme yleistä elintarvikkeiden laatuun ja turvallisuuteen haitallisesti vaikuttavaa yhdistettä: 1) fluorokinolonit, laajakirjoinen antibioottiluokka, joita käytetään yleisesti sekä ihmisten että eläinten infektioiden hoidossa, 2) trikotekeenit, homemyrkkyluokka, joka aiheuttaa huomattavia elintarvikkeiden turvallisuuteen ja tuotantoon liittyviä haittoja, ja 3) karjunhajua lihatuotteissa aiheuttava skatoli.

Väitöstutkimuksessa kehitettiin sitomisominaisuuksiltaan monipuolisia vasta-aineita pienikokoisille elintarvikkeiden haitta-aineille, sekä sitojiin pohjautuvia määrityksiä kyseisten yhdisteiden seulontaan.