CRISPR/Cas12a-based Simplified Lateral Flow Assay for Sensitive Detection of OTA and AFB1

في الزوايا الهادئة للزراعة العالمية، تكمن تهديدات غير مرئية غالبًا داخل الحبوب التي نأكلها. يمكن أن تتعرض القمح والذرة والأرز للتلوث بالفطريات التي تنتج مواد سامة تُعرف باسم السموم الفطرية (mycotoxins). اثنان من أخطر هذه السموم هما أوكراتوكسين أ (Ochratoxin A) وأفلاتوكسين ب1 (Aflatoxin B1). هذه السموم لا تفسد الطعام فحسب؛ بل يمكن أن تسبب أضرارًا شديدة للكبد والكلى، وتضعف جهاز المناعة، بل ويمكن أن تؤثر حتى على الجهاز العصبي عند دخولها جسم الإنسان عن طريق الغذاء أو الاستنشاق. ولأن هذه السموم ضارة للغاية، وضعت الحكومات في جميع أنحاء العالم حدودًا صارمة لكمية وجودها في المنتجات الغذائية. ومع ذلك، فإن العثور عليها أمر صعب؛ فالطرق التقليدية تتطلب إرسال عينات إلى مختبرات باهظة الثمن مليئة بآلات ضخمة ومعقدة تحتاج إلى مشغلين مهرة لتشغيلها. هذه العمليات بطيئة ومكلفة، مما يجعل من الصعب فحص سلامة الغذاء بسرعة في الحقول أو في الأسواق المحلية حيث الموارد محدودة.

ولحل هذه المشكلة، طور باحثون في جامعة نانتونغ في الصين طريقة جديدة للكشف عن هذه السموم تتميز بالسرعة والحساسية والبساطة بحيث يمكن استخدامها دون مختبر. يرتكز عملهم على أداة مستعارة من أنظمة الدفاع الخاصة بالطبيعة نفسها: بروتين يُسمى Cas12a، والذي يعمل مثل مقصات جزيئية. في حالته الطبيعية، يساعد هذا البروتين البكتيريا في محاربة الفيروسات عن طريق تقطيع المادة الوراثية الغريبة. لقد تعلم العلماء كيفية برمجة هذا البروتين للتعرف على تسلسلات محددة من الحمض النووي (DNA). وعندما يجد هدفه، فإنه لا يكتفي بالقطع مرة واحدة فقط، بل يدخل في حالة من الهيجان، حيث يقوم بتقطيع أي خيوط حمض نووي قريبة منه. هذا السلوك، المعروف باسم "التقطيع العابر" (trans-cleavage)، يمكن تسخيره لإنشاء إشارة. فإذا كان الهدف موجودًا، يتنشط البروتين ويقطع جزيءًا كاشفًا، مما يؤدي إلى تغيير مرئي. ومن خلال الجمع بين هذه الآلية البيولوجية وشريط اختبار بسيط يشبه اختبار الحمل، ابتكر الفريق جهازًا يمكنه رصد كميات ضئيلة من السم في الطعام بسرعة ودقة ملحوظتين.

ركز الباحثون على إنشاء نظام يمكنه الكشف عن كل من أوكراتوكسين أ وأفلاتوكسين ب1 في نفس الوقت. لقد صمموا مفتاحًا جزيئيًا خاصًا مكونًا من خيوط الحمض النووي. أحد أجزاء هذا المفتاح هو "الأبتامر" (aptamer)، وهو قطعة من الحمض النووي مصممة لتلتقط سمًا معينًا مثل مفتاح يناسب قفلًا. عندما يكون السم موجودًا في العينة، فإنه يرتبط بهذا الأبتامر. وهذا الارتباط يجبر مفتاح الحمض النووي على تغيير شكله، مما يؤدي إلى إطلاق خيط ثانٍ من الحمض النووي كان مخفيًا سابقًا. يعمل هذا الخيط المتحرر بعد ذلك كمفتاح لتشغيل بروتين Cas12a. وبمجرد تنشيطه، يبدأ البروتين في تقطيع جزيء كاشف تم وسمه بعلامات خاصة. هذه العلامات مصممة للالتصاق بخطوط محددة على شريط الاختبار.

شريط الاختبار نفسه عبارة عن جهاز صغير محمول يحتوي على غشاء من النيتروسليلوز مع عدة خطوط مرسومة عليه. وضع الباحثون أجسامًا مضادة مختلفة على هذه الخطوط للإمساك بالقطع المقطعة من الجزيء الكاشف. يلتقط أحد الخطوط القطع التي تشير إلى وجود أوكراتوكسين أ، بينما يلتقط خط آخر القطع الخاصة بأفلاتوكسين ب1. ويعمل خط ثالث كعنصر تحكم لضمان عمل الاختبار بشكل صحيح. ولجعل النتائج مرئية، استخدم الفريق جزيئات صغيرة تسمى "النقاط الكمومية" (quantum dots)، والتي تتوهج بسطوع تحت ضوء معين. عندما يتم غمس شريط الاختبار في الخليط، وإذا كانت السموم موجودة، تتراكم الجزيئات المتوهجة على خطوط الاختبار، مما يخلق إشارة مرئية يمكن رؤيتها بالعين المجردة أو التقاطها بكاميرا الهاتف الذكي.

أحد أهم التحسينات في هذه الطريقة الجديدة هو كيفية التعامل مع تحضير العينة. كانت الطرق القديمة تتطلب غالبًا خطوة تُستخدم فيها حبيبات مغناطيسية لفصل الهدف عن بقية السائل، وهي عملية تتطلب معدات ووقتًا إضافيين. يستبدل النظام الجديد هذه الخطوة بخط بسيط على شريط الاختبار مغطى ببروتين يسمى "ستريبتافيدين" (streptavidin). يلتقط هذا الخط جزيئات الكاشف غير المقطعة، مما ينظف العينة بفعالية أثناء تدفقها عبر الشريط. وهذا يلغي الحاجة إلى الفصل المغناطيسي تمامًا، مما يجعل العملية أسرع وأسهل في التنفيذ في الميدان. علاوة على ذلك، تم تصميم النظام بحيث يمكن استخدام نفس بروتين Cas12a ونفس التعليمات الجينية للكشف عن سموم مختلفة. وللانتقال من الكشف عن سم واحد إلى آخر، يحتاج الباحثون فقط إلى تغيير "الأبتامر" الخاص بالحمض النووي الذي يلتقط السم. تعني هذه المرونة أن تكلفة اختبار الملوثات المختلفة تظل منخفضة جدًا.

عندما اختبر الفريق جهازهم، كانت النتائج مبهرة. فقد وجدوا أن النظام يمكنه اكتشاف أوكراتوكسين أ بمستويات منخفضة تصل إلى 50 بيكوجرام لكل ميليلتر، وأفلاتوكسين ب1 بمستوى 250 بيكوجرام لكل ميليلتر. ولوضع ذلك في المنظور، فإن هذه الحدود أقل بكثير مما يمكن لأشرطة الاختبار التجارية القياسية اكتشافه، مما يمثل تحسنًا في الحساسية يتراوح بين عشرة إلى مائة ضعف. اختبر الباحثون الجهاز باستخدام عينات حقيقية، بما في ذلك دقيق الذرة والقمح التي تم حقنها بكميات معروفة من السموم. حدد الجهاز وجود السموم في معظم الحالات بدقة، مما أظهر معدل دقة مرتفعًا. وفي اختبار مزدوج التعمية، حيث قام شخص واحد بتحضير العينات وآخر باختبارها دون معرفة أي منها كان إيجابيًا، حدد النظام جميع العينات الإيجابية تقريبًا ومعظم العينات السلبية بشكل صحيح.

استكشف الباحثون أيضًا طريقة ذكية لاستخدام الاختبار للحصول على إجابة سريعة بنوع "نعم أو لا". فمن خلال خلط مكونات الكشف لكلا السمّين في أنبوب واحد، أنشأوا بوابة منطقية تعمل كمفتاح "أو" (OR). إذا كان أي من أوكراتوكسين أ أو أفلاتوكسين ب1 موجودًا، يتنشط النظام وينتج إشارة إيجابية على خط اختبار واحد. وهذا يعني أن المستخدم لا يحتاج إلى إجراء اختبارين منفصلين لمعرفة ما إذا كانت حبوبه ملوثة؛ فنتيجة واحدة تخبره ما إذا كان أي من الخطرين موجودًا. هذا النهج يبسط سير العمل بشكل أكبر، مما يجعله مثاليًا للفحص السريع في البيئات المزدحمة.

تؤكد الدراسة أن هذه الطريقة الجديدة ليست حساسة فحسب، بل هي عملية للاستخدام في الأماكن التي تفتقر إلى المرافق المختبرية المتقدمة. تستغرق العملية بأكملها، من خلط العينة إلى قراءة النتيجة، أقل من ساعة ولا تتطلب آلات معقدة. الإشارة المرئية قوية بما يكفي لرؤيتها دون أجهزة قراءة باهظة الثمن، رغم أنه يمكن استخدام كاميرا الهاتف الذكي لقياس شدة الإشارة للحصول على رقم أكثر دقة. أثبت الفريق أن الطريقة تعمل بشكل جيد حتى مع عينات غذائية معقدة مثل الدقيق، الذي غالبًا ما يحتوي على العديد من المواد الأخرى التي يمكن أن تتداخل مع الاختبار. ومن خلال النجاح في اكتشاف السموم في هذه الظروف الواقعية، أظهر الباحثون أن جهازهم قوي وموثوق.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في مراقبة سلامة الغذاء. فهو يأخذ أداة بيولوجية متطورة ويبسطها في تنسيق يمكن لأي شخص الوصول إليه. إن القدرة على اكتشاف السموم الخطيرة بمثل هذه المستويات المنخفضة، دون الحاجة إلى معدات باهلة الثمن أو موظفين مدربين تدريبًا عاليًا، توفر طريقة قوية لحماية الصحة العامة. وسواء كان ذلك في قرية نائية أو في سوق حبوب مزدحم، توفر هذه التكنولوجيا وسيلة لضمان أن الطعام الذي يتناوله الناس آمن. ويشير الباحثون إلى إمكانية توسيع هذه الاستراتيجية لاكتشاف مواد ضارة أخرى في المستقبل، مما قد يغير كيفية مراقبة سلامة إمداداتنا الغذائية على نطاق عالمي. ومن خلال جعل الاختبار عالي الحساسية بسيطًا وبأسعار معقولة، يساعد هذا النهج في سد الفجوة بين العلم المتقدم والسلامة اليومية.