DNA-Fingerprinting der dritten Generation zur Echtheitsprüfung von Lebensmitteln

DNA-Analytik gegen Lebensmittelverfälschung

Okt./Nov. 2020. Bedingt durch die Komplexität der globalen Warenstromketten von Lebens- und Futtermitteln wird die Verfälschung von Lebensmitteln zu einem immer größer werdenden Problem. Die Verfälscher werden immer erfinderischer und die Labore, welche Produkte auf Echtheit prüfen, müssen mit ihren Analyseverfahren Schritt halten. Sie greifen dabei auf High-Tech Verfahren wie das DNA-Barcoding, DNA-Sequenzierung und den genetischen Fingerabdruck zurück, welche sich im Zeitalter des biotechnologischen Fortschritts rasant entwickelt haben und weiterentwickeln werden. Die DNA-Sequenzierung der nächsten Generation (Next Generation Sequencing ) wurde zu einer Routinemethode nicht nur in der Medizin und Humangenetik, sondern auch für die  Lebensmittelindustrie und den Handel. DNA-Fingerprint-Verfahren der zweiten Generation basieren auf einfachen Sequenzwiederholungen („Simple Sequence Repeats“, SSRs) und werden routinemäßig zur Kontrolle der Authentizität von Reisspezialitäten wie Basmati und Jasminreis eingesetzt.

Basmati-Reis – Erfolg am Markt durch Qualität und Echtheitsanalyse über den DNA-Fingerprint

1986 wurde das DNA-Fingerprint-Verfahren zum ersten Mal von Sir Alec Jeffreys zur Aufklärung eines Einwanderungsfalls im Vereinigten Königreich eingesetzt. Seitdem hat diese Technologie die Gerichtsmedizin revolutioniert. Vierzehn Jahre später brachte die Pionierarbeit von Dr. Frances Bligh (damals Wissenschaftlerin an der Universität Nottingham, England) den Durchbruch dieser Technologie bei der Prüfung der Lebensmittelechtheit. Ihre Methode zur Bestimmung des genetischen Fingerabdrucks der zweiten Generation wird seitdem routinemäßig zur Echtheitsbestimmung von Basmatireis verwendet und – nach einigen Verfeinerungen zu einem Routinetest – auch von Eurofins der Lebensmittelindustrie für ihre Warenkontrollen angeboten.

2005 wurde der britische „Code of Practice on Basmati Rice“ von der Rice Association, der British Rice Millers Association und der British Retail Consortium verabschiedet und bestimmt in Artikel 6.1. den DNA-Fingerprint als Standardverfahren zur Echtheitskontrolle. Der Kodex wird nicht nur in Großbritannien, sondern auch in den meisten EU-Mitgliedsstaaten und anderen Ländern wie der Schweiz allgemein akzeptiert. Er verbesserte die Basmatiqualität im EU Einzelhandel erheblich und dies wurde von den Verbrauchern belohnt mit einer Verdoppelung des Importvolumens in den letzten zehn Jahren (Nader et al., 2020 ^[2]). 

DNA-Fingerprinting der zweiten und dritten Generation – ein Vergleich

2017 wurde der britische „Code of Practice“ überarbeitet und die Zahl der als Basmati zugelassenen Reissorten von 15 Sorten auf 41 erhöht. Viele neue Basmatireis-Sorten waren von indischen und pakistanischen Pflanzenzüchtern entwickelt worden, um Qualität, Ertrag und Toleranz gegenüber Schädlingen, salzhaltigen Böden und Trockenheit zu steigern. Aufgrund dieser Erweiterung musste die Methode der Echtheitsprüfung angepasst werden. Eurofins entwickelte ein geeignetes Verfahren auf der Grundlage von 15 SSR-Markern (Nader et al., 2019 ^[3]), das die Sorten im revidierten Code unterscheiden kann, allerdings mit Ausnahme von 9 hoch verwandten Sorten.

Neuer Genotypisierungs-Ansatz mit der KASP^TM Technologie

Einen anderen Ansatz verfolgte Dr. Steele mit der KASP^TM Technologie (kompetitive allelspezifische PCR) zur Genotypisierung über SNP-, Insertions- und Deletions-Markern (InDel) (Steele et al., im Druck ^[1]). SNPs haben gegenüber SSRs den Vorteil, dass sie im Genom viel häufiger vorkommen, homogener verteilt sind und eine niedrigere Mutationsrate aufweisen und damit eine höhere Stabilität. Deshalb konnte Dr. Steele mit ihrem Verfahren alle 41 Basmati-Sorten über 364 KASP^TM-Designs unterscheiden. Andererseits haben SSRs gegenüber SNPs den Vorteil, dass sie in viel mehr Allelen vorkommen. Über die Analyse eines kleinen Spektrums von SSR-Markern können Sorten in Lebensmitteln auch in Mischungen von mehr als zwei Sorten differenziert und quantifiziert werden. Deshalb werden beide Methoden auf geraume Zeit für die Echtheitsprüfung von Reis von Bedeutung sein und sich gegenseitig ergänzen.

Potenzial des DNA-Fingerprinting der dritten Generation für die Lebensmittelanalytik

Das Potenzial des DNA-Fingerprinting der dritten Generation für die Lebensmittelanalytik geht weit über die Prüfung der Basmatiechtheit hinaus. Mikrobielle und virale Krankheitserreger wie SARS-CoV2 werden über das Verfahren bis zur Quelle zurückverfolgt. Analog kann Lebensmittelverfälschung durch Rückverfolgbarkeit aufgeklärt und vermieden werden. Pflanzen- und Tierzüchtung verwenden SNPs als Selektionsmarker für bestimmte vorteilhafte Eigenschaften wie höhere Erträge und Qualität. Sie nutzen dazu bereits das KASP^TM-Genotypisierungsverfahren. In Analogie können hochwertige Lebensmittelzutaten mit besonderen Eigenschaften wie Aroma und Textur über diese Marker identifiziert werden. Dr. Steele et al. ^[1] hat das bei Basmatireis in Bezug auf die fgr-Marker (Basmati-Aroma) und das Waxy-Gen (Amylosegehalt) vorgemacht.

GVOs (gentechnisch veränderte Organismen) der zweiten Generation, hergestellt über die CRISPR-Cas9-Technologie, werden schon heute angebaut, fallen allerdings unter die EU-Verordnungen 1829/2003 und 1830/2003 mit allen Einschränkungen in Bezug auf Zulassung, Etikettierung und Rückverfolgbarkeit. Ein großer Teil dieser neuen GVOs wird über die NHEJ-Methode (nicht-homologe Endverknüpfung) generiert, also durch Genmutationen, welche den SNPs und InDels ähneln, auf welche auch das Verfahren von Dr. Steele abhebt. Solche GVOs sind von Sorten aus der konventionellen Züchtung schwierig zu unterscheiden. Wenn die von CRISPR-Cas9 eingeführten Mutationen allerdings veröffentlicht sind wie z. B. in dem GVO-Register der EU, dann können sie mit der KASP^TM-Methode quantitativ nachgewiesen werden, ähnlich wie von Dr. Steele für Basmati-Reis beschrieben.

Kontakte für weitere Informationen:

Dr. Werner Nader, Berater, Geschäftsführer i.R. der Eurofins Global Control GmbH, Hamburg, WernerNader@eurofins.de

Dr. Katherine Steele, Senior Lecturer in Sustainable Crop Production, Bangor University, Wales, k.a.steele@bangor.ac.uk

Literaturangaben

[1] Steele, K., Tulloch, M.Q., Burns, M. and Nader, W.: Developing KASP markers for identification of Basmati rice varieties. Food Analytical Methods (2020). Zum Download erhältlich unter diesem Link
[2] Nader, W., Maier, M., Miebach, M. and Linder, G.: Pesticide residue legislations challenge international trade of food and feed. Cereal Technology, 2: 84-99 (2020). Zum Download erhältlich unter diesem Link
[3] Nader, W., Elsner, J., Brendel, T. and Schubbert, R.: The DNA fingerprint in food forensics – the Basmati rice case. Agro FOOD Industry Hi Tech, 30(6): 57-61, 2019. Zum Download erhältlich unter diesem Link