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Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
Monitoring the cellular metabolism of bacteria in (bio)fermentation processes is crucial to control and steer them, and to prevent undesired disturbances linked to metabolically inactive microorganisms. In this context, cell-based biosensors can play an important role to improve the quality and increase the yield of such processes. This work describes the simultaneous analysis of the metabolic behavior of three different types of bacteria by means of a differential light-addressable potentiometric sensor (LAPS) set-up. The study includes Lactobacillus brevis, Corynebacterium glutamicum, and Escherichia coli, which are often applied in fermentation processes in bioreactors. Differential measurements were carried out to compensate undesirable influences such as sensor signal drift, and pH value variation during the measurements. Furthermore, calibration curves of the cellular metabolism were established as a function of the glucose concentration or cell number variation with all three model microorganisms. In this context, simultaneous (bio)sensing with the multi-organism LAPS-based set-up can open new possibilities for a cost-effective, rapid detection of the extracellular acidification of bacteria on a single sensor chip. It can be applied to evaluate the metabolic response of bacteria populations in a (bio)fermentation process, for instance, in the biogas fermentation process.
Enzyme-catalyzed reactions have been designed to mimic various Boolean logic gates in the general framework of unconventional biomolecular computing. While some of the logic gates, particularly OR, AND, are easy to realize with biocatalytic reactions and have been reported in numerous publications, some other, like NXOR, are very challenging and have not been realized yet with enzyme reactions. The paper reports on a novel approach to mimicking the NXOR logic gate using the bell-shaped enzyme activity dependent on pH values. Shifting pH from the optimum value to the acidic or basic values by using acid or base inputs (meaning 1,0 and 0,1 inputs) inhibits the enzyme reaction, while keeping the optimum pH (assuming 0,0 and 1,1 input combinations) preserves a high enzyme activity. The challenging part of the present approach is the selection of an enzyme with a well-demonstrated bell-shape activity dependence on the pH value. While many enzymes can satisfy this condition, we selected pyrroloquinoline quinone (PQQ)-dependent glucose dehydrogenase as this enzyme has the optimum pH center-located on the pH scale allowing the enzyme activity change by the acidic and basic pH shift from the optimum value corresponding to the highest activity. The present NXOR gate is added to the biomolecular “toolbox” as a new example of Boolean logic gates based on enzyme reactions.