Påvisning, sporing og overvågning af såvel ønskede som uønskede stoffer og mikroorganismer er ønsket i hele fødevareproduktionskæden fra jord/hav til bord og anvendes af både industri i forbindelse med processtyring og af myndigheder i forbindelse med kontrol. Der er i hele kæden behov for diagnostik4 og kontrol5.
Overvågning og styring har traditionelt været baseret på prøveudtag samt efterfølgende kemisk eller mikrobiologisk analyse. Trods store forbedringer er dette ofte langsommelige, arbejdskrævende og destruktive metoder. Parallelt hermed sker en konstant ændring i de stoffer/mikroorganismer, som ønskes detekteret/overvåget. For eksempel er der gennem de sidste 20 år dukket adskillige nye og uforudsete problemer op med fødevaresikkerheden. Inden for mikrobiologien drejer det sig eksempelvis om Campylobacter, BSE, SARS, influenza virus, antibiotikaresistente mikroorganismer og toksinproducerende svampe. En væsentlig udfordring, for såvel industri som myndigheder, er at være forudseende i forhold til disse problemer. Udover effektive og prisbillige diagnostiske værktøjer kræver det en bedre indsigt i mikroorganismernes biologi og spredning, og eksempelvis at vi er i stand til at påvise og forudse vækst, overlevelse og ændret virulens af specifikke mikroorganismer i produktionsmiljøer og i fødevarer.
Forskning og udvikling inden for bioteknologi må forventes at give os en langt større basal forståelse for mikroorganismer, disses adfærd og faktorer, der påvirker disses virulens. Samtidig vil bioteknologien gøre os i stand til at måle stoffer og organismer in situ og vil formodentlig i fremtiden muliggøre analyse af ekspression af virulens-faktorer og patogent potentiale online. I mange sammenhænge anvendes mikroorganismer til produktionsformål, og de bioteknologisk baserede metoder vil give os mulighed for at overvåge vækst og metabolisme af produktions-kulturer og dermed styre produktionen af fødevarer i bedre grad end tilfældet er i dag.
Undersøgelse af "total" ekspression af gener eller proteiner (genomics og proteomics) er i dag under hurtig udvikling i den mere basale forskning af mikroorganismer og interaktioner mellem mikroorganismer og vært. Sådanne undersøgelser vil tillade vurdering af f.eks. infektionspotentialet af en organisme i forhold til forskellige værter med forskelligt immunforsvar. Med omhyggeligt forsøgsdesign, hvor biologisk relevante modelsystemer anvendes, kan den samlede risiko fra f.eks. en population af bakterie-stammer vurderes i forhold til forskellige risikogrupper. Det vil således blive muligt i risikovurderinger at vurdere på et andet detaljerings-niveau, hvor forebyggende strategier vil have størst effekt.
Metoder til behandling af de store datamængder er kun i mindre grad udviklet. En øget indsats specielt inden for den stadig voksende mængde af sekvensdata og data fra microarray eksperimenter er vigtig for fuld udnyttelse heraf. Samtidig kan det forventes en effekt af en tættere kobling mellem biologisk og bioinformatisk viden.
Overvågning, forebyggelse, bekæmpelse og direkte kontrol af patogene mikroorganismer kræver, at der eksisterer diagnostiske metoder, som gør det muligt at påvise en lang række stoffer, organismer og tilstande i planter, dyr og fødevarer. Diagnostiske metoder er baseret på påvisning af den specifikke mikroorganisme i den smittede vært eller påvisning af et specifikt værtsrespons på smitten.
I dag anvendes traditionel dyrkning, mikroskopi, antistof-baserede samt dna-baserede metoder herunder PCR til specifik påvisning af mikroorganismerne. Bioteknologiens fremdrift har medført, at microarray-teknikker, der kan måle udtryk af flere tusinde gener i en prøve, er under udvikling. Disse teknikker vil dels kunne anvendes til samtidig detektion af mange forskellige typer smitstof, dels må det forventes, at mange karakteristika for en givet mikroorganisme (f.eks. udtryk af virulens-faktorer) kan analyseres i en enkelt arbejdsgang.
Potentialet er således stort, men i praktisk diagnostisk sammenhæng er teknikken kun i sin vorden, og vil kræve en stor forskningsindsats. Dette gælder også for tilsvarende ønsker om at miniaturisere forskellige laboratorieprocedurer. Muligheden for anvendelse af nanoteknologien til design af "lab-on-chip" er et område, der må forventes at have stort potentiale.
De molekylærbiologiske påvisningsteknikker, herunder microarray-teknikker, stiller i dag store krav til ekstraktion/oprensning af dna/rna, ligesom de fleste diagnostiske metoder til påvisning af mikroorganismer involverer et opformeringstrin. Udvikling af bioteknologisk baserede metoder, der kan minimere prøveforberedelse og eliminere opformeringstrin, vil være en stor landvinding.
En lang række stoffer og mikroorganismer er uønskede i vores fødevarer, og moderne kvalitetsstyring baseres primært på forebyggelse (af forurening, vækst mv) i alle led i kæden fra jord til bord. Dette drejer sig eksempelvis om at forebygge tilstedeværelsen af skadegørere i høstede afgrøder ved forædling for at forbedre værtplante-resistens og ved en optimering af dyrkningsteknikken. For husdyr er der etableret bekæmpelsesprogrammer, hvor arveligt betingede sygdomme søges elimineret i avlsarbejdet, og der anvendes vaccination til forebyggelse og bekæmpelse af nogle få specifikke sygdomme. Fødevareproducenter og -industri skal i deres egenkontrolprogrammer overvåge de forebyggende foranstaltninger og verificere, at de uønskede stoffer ikke overskrider fastsatte niveauer. Parallelt hermed vil myndigheder overvåge, at gældende lovgivning er overholdt (bilag 4).
Når det drejer sig om fødevarer, er anvendelse af optimale produktionsforhold i de primære led kombineret med valideret procesteknologi (pasteurisering, køling mm.), samt god hygiejne og tilvirkningspraksis grundlaget for den nuværende kontrol med fødevaresikkerheden.
Kontrol af råvarer samt processtyring er af stor betydning i fødevarerne. Kontrollen omhandler bl.a. detektion af sammensætningen af en fødevare, f.eks. detektion af tilstedeværelse af enkelte væv eller organer i forarbejdede kødprodukter, men det kan også dreje sig om at kunne spore fødevarens oprindelse tilbage til de enkelte dyr eller producent. I dag benyttes fortrinsvis dna-baserede metoder til sporbarhedsanalyser, og det er muligt, men omkostningstungt at lave sikker genetisk individ-identifikation af svin og kvæg, f.eks. via sporing af avlslinie, fra kød eller andet individmateriale. Med fremkomsten af GMO-produkter inden for fødevarebranchen kan man forudse et stort behov for metoder, der tillader differentiering mellem bl.a. GMO og konventionelt dyrkede planter. Dette behov vil gælde både for industriens egenkontrol samt for myndighedernes overvågning.
Gennem bioteknologiske metoder forventes det, at man vil kunne opnå et kvalitetsløft i primærproduktionen ved at forøge forskning inden for udvikling af nye metoder og analyser, der kan bruges direkte i produktionen. Dette vil betyde, at landmanden eller producenten i fremtiden selv kan lave test på et meget tidligt tidspunkt i produktionsprocessen.
Nedenfor er beskrevet en række områder af relevans for diagnostik, kontrol og processtyring, hvor der er behov for forskning, der enten er af bioteknologisk karakter eller som er nødvendig for at udnytte potentialet i bioteknologiske metoder.
En af de største barrierer for hurtige, effektive og robuste analyse-metoder er selve den grundlæggende ekstraktion af det kemiske stof, den mikroorganisme eller det stykke dna, som efterfølgende skal danne grundlag for f.eks. en specifik detektion. Udvikling af ny teknologi til direkte at kunne ekstrahere det specifikke mikroorganisme fra en kompleks prøve i en tilstand, som ikke påvirker den efterfølgende detektionsproces negativt, er en kæmpe udfordring, og dette trin må løses for at få fuldt udbytte af de bioteknologisk baserede metoder kan opnås.
En målrettet forsknings- og udviklingsindsats inden for prøveforberedelsesteknologi skal sikre, at prøven har en renhed eller bringes til et oprensningsniveau, som ikke hæmmer eller forhindrer den efterfølgende detektionsproces. Samtidig skal de udviklede metoder, udover at være kvantitative, også kunne give detaljeret information om mikroorganismernes tilstand (f.eks. om de er aktive eller døde). Herunder hører også forskning i hvorledes de analytter/mikroorganismer, der skal måles på eller identificeres, påvirkes under en prøveforberedelse med henblik på direkte detektion.
Der er stort behov for at udvikle og optimere kvantitative metoder, der tillader samtidig påvisning af mange egenskaber eller samtidig påvisning af flere mikroorganismer.
Til detektion af patogene mikroorganismer og uønskede stoffer i plantematerialer, husdyr og fødevarer vurderes der at være et stort potentiale inden for udvikling af hurtigmetoder til påvisning ”on-site”. ”Bærbar” real-time PCR, microarrays, protein-baserede hurtigmetoder, samt biosensorer i form af elektroniske og immunologiske ”næser”, skal fremhæves som realistiske muligheder, der dog alle kræver en stor forskningsmæssig indsats, før praktisk anvendelse bliver mulig.
I takt med markedsføring og kontrol af GM-planter og GMO-baserede fødevarer vil der være et stigende behov for at kunne detektere nye gen-konstruktioner. Da de eksisterende PCR-baserede metoder kun påviser få typer af konstruktioner ad gangen, er der behov for at udvikle nye universelle metoder, hvor man kan analysere for et stort antal gener eller gen-produkter i samme arbejdsgang. Gældende regler inden for GMO er delvist baseret på kvantitative bestemmelser. Der er således også behov for at udvikle hurtige og effektive metoder til kvantitativ måling af GMO i planter og fødevarer.
Der er behov for forskning i og udvikling af hurtige og præcise molekylære typningsmetoder, der tillader detektion af mikroorganismer på genotype- eller klonniveau. Dette giver helt nye muligheder for sporing af mikroorganismer fra jord-til-bord. Dette gælder både produktionsorganismer og patogene mikroorganismer, hvis spredning skal kortlægges. Samtidig vil sådanne metoder øge vores forståelse af mikroorganismernes biologi, epidemiologi og spredning i agro-økosystemet. Samlet vil denne indsigt kunne danne grundlag for design af effektive, målrettede forebyggende foranstaltninger i hver enkelt vært/patogene system.
De molekylært baserede metoder rummer potentiale for forbedret indsigt i mikroorganismernes evolutionære processer. Behovet ligger her primært på karakterisering af virulens/virulensdeterminanter i plantepatogene svampe samt i husdyr- og human-patogene bakterier. Forståelsen af disse processer, og hvilke ydre forhold, der påvirker dem i positiv eller negativ retning, har betydning for hvilke forebyggende tiltag, der vil have størst effekt, og hvilke typer af resistens/tolerance som må forventes at have længst mulig effekt.
De fysiologiske betingelser i planter, dyr og fødevarer har betydning for mikroorganismers evne til at udtrykke forskellige gener, herunder gener der har betydning for mikroorganismernes evne til at forårsage sygdom. Der er behov for udvikling af protein- og genbaserede metoder til at belyse mikroorganismers ekspression af gener, som har betydning for virulens i planter, dyr og mennesker og overlevelse i fødevarer. Specielt bør ekspressionen af gener undersøges i forbindelse med forskelle i produktionsmiljøet for planter og dyr og teknologiske ændringer i produktion og forarbejdning af fødevarer.
Bakterie- og svampefloraen i fødevarer og i planter og dyr er i konstant samspil med deres omgivende miljø og har en stor betydning for fødevarens kvalitet samt risiko for sygdom hos konsumenten. Udvikling af systemer, der tillader en samtidig biologisk analyse af patogener og karakterisering af komplekse molekylære mønstre og interaktioner hos værten eller i det omgivende miljø, vil tillade en bedre forståelse af dette samspil og dermed øge muligheden for optimering af diagnostik-, kontrol- og sygdomsovervågning.
Sammensætningen af bakteriefloraen i tarmen har betydning for human sundhed både med henblik på infektionsbeskyttelse, ernæringsstatus, og udvikling af en række sygdomme, herunder coloncancer. Her er ”omics” teknologierne (især genomics og proteomics) af betydning for at afdække de dynamiske samspil, der har betydning for mikrofloraens såvel som værtens biologi. Denne biologiske viden vil gøre det muligt at forudsige, f.eks. hvorledes procesteknologiske ændringer vil påvirke microfloraen i fødevarer såvel som værtsdyrets tarmsystem, og vil dermed skabe grundlag for en bedre risikovurdering og kontrol.
I husdyrproduktionen er der kun begrænset mulighed for via avl at øge sygdomsresistensen, og de genetisk betingede sygdomme søges primært elimineret i avlslinierne, hvor enkeltgenmarkører p.t. er det vigtigste redskab. Der er behov for en øget viden inden for samspillet mellem genetik, immunologi og sygdomsresistens.
Der eksisterer i dag kun begrænset viden om effektive alternativer til antibiotikabehandling ved bakterielle sygdomme i dyr samtidig med, at der meldes om stigende antibiotikaresistens i en lang række lande. Ved udbrud af alvorlige virussygdomme er der meget begrænsede muligheder for direkte behandling og fokus lægges i stigende omfang på udvikling af forebyggende vacciner. Der er derfor en udfordring i at opnå en mere komplet forståelse af infektionsmekanismer og sygdomsudvikling, således at den patogene mikroorganisme i højere grad studeres i sit naturlige miljø, og der kan udvikles alternative behandlingsformer.
De seneste års øgede viden inden for immunregulering giver begrundet håb om, at bioteknologien kan fordre udvikling af langt mere effektive vacciner i fremtiden. Der er behov for forskning i immunogeners virkningsmekanismer på molekylært niveau og for metoder til hurtig identifikation og produktion af nye, hidtil ukendte immunogener. Dna vaccination af bl.a. fisk har vist lovende resultater, og området bør få øget opmærksomhed sideløbende med, at der bør udvikles sensitive metoder til sporing af vaccinerester i vaccinerede dyr og i det omgivende miljø.
Udover bioteknologisk fokus på identifikation og fremstilling af immunogener, er der også behov for en øget fokusering på bærermolekyler og immunstimulerende vaccine-hjælpestoffer til korrekt og målrettet påvirkning af immunsystemets celler og enkelte organsystemer, herunder en bedre forståelse af de basale mekanismer og faktorer, der har betydning for udvikling af immunitet.
Forebyggelse af uønskede mikroorganismer i fødevarer tager udgangspunkt i bekæmpelse i det levende dyr. Øget viden om mulighederne for eliminering eller reduktion af smitten forud for slagtningen er ønskelig.
Der er behov for en øget indsats inden for bioinformatik og modellering. Bioinformatikken bør i stigende grad kunne anvendes dels til en meningsfuld oversættelse af informationsmængden, der genereres ved bl.a. microarray teknologien, dels til nyttiggørelse af de stadig stigende mængder tilgængelige genomdata, herunder bl.a. til påvisning af specifikke gener, til forudsigelse af geners struktur, funktion og interaktion, samt til forudsigelse af muligheden for rekombinationer, mutationer og lignende.
Matematisk modellering af samspillet mellem mikroorganisme, vært og miljø vil i mange sammenhænge kunne bidrage til at optimere design af eksperimentelle undersøgelser, men kan også via identifikation af ”kritiske” områder/faser i patogenernes biologi og stedlige forekomst bidrage til at reducere det antal stikprøver, der er nødvendig i den givne situation.