On-site detection methods for edible insects in sustainable food systems based on isothermal technologies

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Edible insects have received considerable attention as sustainable protein sources due to their high nutritional value, economic benefits, and eco-friendly production. However, concerns regarding food fraud and allergenicity associated with edible insects have emerged with their increased consumption. In particular, allergens from edible insects, which can trigger severe reactions such as anaphylaxis, emphasize the necessity for reliable and rapid detection methods.
The objective of this study is to develop on-site detection methods for edible insects using isothermal technologies. Two innovative approaches were established: The loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assays for the rapid detection of six edible insect species, and the LAMP-CRISPR/Cas12a assay for enhancing specificity and accuracy. The LAMP assay was designed to quickly and efficiently confirm for the presence of target edible insect DNA in diverse sample types, providing results within 30 minutes. The LAMP-CRISPR/Cas12a integrated LAMP system further enhanced the specificity by the precise cleavage mechanism of Cas12a, thereby minimizing false positives. Both methods were evaluated across a range of insect-based food products, demonstrating their capacity to accurately identify target species and distinguish them from non-target species in field-application settings.
These findings suggest the development of efficient and reliable detection methods capable of addressing allergenic risks and mitigating food fraud concerns associated with edible insects. By ensuring food safety and authenticity, these methods contribute to the development of sustainable and trustworthy food systems for a growing global population.

국문 초록 (Abstract)

식용 곤충은 높은 영양적 가치, 경제적 이점, 친환경적 생산으로 인해 지속 가능한 단백질 공급원으로 주목받고 있다. 그러나 소비 증가와 함께 식품 사기 및 알레르기 유발 가능성에 대한 우려가 제기되고 있는 상황이다. 특히, 식용 곤충 유래 알레르겐은 심한 경우 아나필락시스와 같은 알레르기 반응을 유발할 수 있어, 이에 대해 신뢰할 수 있는 신속한 검출 방법의 필요성이 강조되고 있다.
본 연구의 목적은 등온 증폭 기술을 이용하여 식용 곤충을 현장에서 신속히 검출할 수 있는 방법을 개발하는 데 있다. 이를 위해 두 가지 혁신적인 접근법이 확립되었으며, 첫째는 여섯 종의 식용 곤충을 신속히 검출하기 위한 루프 매개 등온 증폭(LAMP) 방법, 둘째는 특이성과 정확성을 강화한 LAMP-CRISPR/Cas12a 방법이다. LAMP 방법은 다양한 시료에서 검출하고자 하는 식용 곤충 DNA를 30분 내에 효율적으로 확인할 수 있도록 설계되었다. LAMP-CRISPR/Cas12a 시스템은 Cas12a의 정밀한 절단 메커니즘을 활용하여 특이성을 강화하고, 위양성 결과를 최소화할 수 있었다. 이 두 방법은 다양한 곤충 함유 식품에서 평가되었으며, 검출을 목표로 하는 곤충 종을 정확히 식별하고 비목표 종과 구별할 수 있는 현장 적용 가능성이 입증되었다.
본 연구 결과는 식용 곤충과 관련된 알레르기 위협을 줄이고 식품 사기 문제를 해결할 수 있는 효율적이고 신뢰 가능한 검출 방법을 제안한다. 이를 통해 식품 안전성을 강화하고, 증가하는 세계 인구를 위한 지속 가능하고 안정적인 식품 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Part I. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assay for identification of six edible insect species 1
• 1. Introduction 2
• 2. Materials and Methods 6
• 1) Sample preparation 6
• 2) DNA extraction 7
• 3) LAMP primer design 8
• 4) LAMP conditions 13
• 5) Specificity and sensitivity 14
• 6) Applicability of the developed LAMP assay 15
• 3. Results and Discussion 16
• 1) Principle of LAMP amplification 16
• 2) Specificity of the LAMP assay 18
• 3) Sensitivity of the LAMP assay 21
• 4) Application in commercial edible insect products 24
• 4. Conclusion 28
• 5. References 29
• Part II. CRISPR/Cas integrated LAMP assay for enhancing silkworm detection methods 35
• 1. Introduction 36
• 2. Materials and Methods 38
• 1) Sample preparation and DNA extraction 38
• 2) Primer design 39
• 3) LAMP assay 41
• 4) CRISPR/Cas12a integrated LAMP assay 42
• 3. Results and Discussion 44
• 1) Principle of the CRISPR/Cas12a integrated LAMP assay 44
• 2) Feasibility of the CRISPR/Cas12a integrated LAMP assay 47
• 3) Specificity of the CRISPR/Cas12a integrated LAMP assay 49
• 4) Sensitivity of the CRISPR/Cas12a integrated LAMP assay 52
• 5) Application in commercial edible insect products 56
• 4. Conclusion 58
• 5. References 59
• 국문 초록 63