GMBU - Bioanalytische Methoden

Gesellschaft zur Förderung von Medizin-,
Bio- und Umwelttechnologien e. V.

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Dieses Forschungsgebiet befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung unterschiedlicher biologisch basierter Verfahren, um einerseits Einzelstoffe und summarische Stoffgruppen in wässrigen und gasförmigen Proben nachzuweisen (Biosensorprinzip), und um andererseits Mikroorganismen, Einzelzellen und Zellverbände physiologisch zu charakterisieren (Bio-Aktivitäts-Sensorik). Automatisierte Fließanalyseverfahren stellen dabei das Grundprinzip der Applikationen dar. Neben den eigentlichen Detektionsverfahren bilden Probe-nahmesysteme und Immobilisierungsmethoden den Entwicklungsschwerpunkt.

Mikrobielle Sensoren

Mikrobielle Sensoren sind eine Sonderform von Biosensoren, bei denen intakte lebende Mikroorganismenzellen als Rezeptorkomponente eingesetzt werden.

Nach der klassischen Vorgehensweise wird dabei der unbekannte Analyt aus der gegebenen Matrix nach dem biologischen Schlüssel-Schloss-Prinzip von einer definierten Biokomponente erkannt, biochemisch umgesetzt und ein messbares Signal freigesetzt. Eine Kalibrierfunktion ermöglicht die Konzentrationsmessung. Beim Einsatz ganzer Zellen ist es dabei wichtig, hoch spezialisierte Mikroorganismen mit engem Substratspektrum zu gewinnen, um die geforderte Spezifik zu erhalten, d.h. Kreuzreaktivitäten auszuschließen.

Das von der GMBU e.V. eingesetzte Grundprinzip basiert primär auf der Messung eines erhöhten Sauerstoffverbrauchs aerober Mikroorganismenzellen bei Verstoffwechselung des Analyten. Dies geschieht in voll automatisierten Fließsystemen innerhalb einer Respirationsmesszelle, in welcher die Zellen membranimmobilisiert an Sauerstoffelektroden lokalisiert sind. So ist es beispielsweise möglich, eine Phenolbestimmung in wässrigen Proben oder in Kombination mit einer geeigneten Absorptionstechnik eine H2S-Messung in Gasen (z.B. Biogas) durchzuführen.

Mit derselben Technik kann auch die Sauerstofffreisetzung von phototrophen Mikroorganismen (Mikroalgen) oder ganzer Gewebestrukturen von Pflanzen (Blattsegmente) unter dem Einfluss von Licht verfolgt werden.

Enzymsensoren

Enzyme werden an porösen sphärischen Mikroglasträger kovalent immobilisiert und in Durchflussreaktoren eingesetzt. So wird in aktuellen Arbeiten der enzym-katalysierte Nachweis von Diacetyl in Biermatrices untersucht. Gemessen werden Stoffwechselprodukte der spezifischen Enzymreaktionen unter Verwendung von Durchfluss-Fluoreszenzdetektoren. Reaktionsenthalpien von Enzymreaktionen können in einem Mikrokalorimeter ausgewertet werden.

Bio-Aktivitäts-Sensorik

Ein anderes Biosensorprinzip, das die GMBU e.V. nutzt, ist die sog. Bio-Aktivitäts-Sensorik (BAS). Sie dient der Charakterisierung bestimmter Stoffwechsel-eigenschaften von Mikroorganismenstämmen oder Mischkulturen.

Dazu erfolgt eine definierte Beprobungsfolge z.B. mit potenziellen Substraten. Das entstehende Signalmuster gibt schließlich Auskunft über ein Verwertungspotenzial des Zielstammes (Screening von Substratspektren und Adaptionszuständen). Neben diesem Substratscreening ist auch die Wirkung von Inhibitoren oder Aktivatoren relativ einfach zu prüfen.

Der Einsatz von Mikroalgen ermöglicht die Bewertung von Wasserproben auf Schadstoffgehalte, indem die Hemmung der photosynthetischen Sauerstoff-freisetzung nach Kontakt der Algen mit der Probe ausgewertet wird.

Der Einsatz von photosynthetisch aktiven Pflanzenmaterialien lässt Aussagen über Schädigungen bzw. Limitierungen zu.

Luftbeprobungssysteme

Mit dem „Airsampler AS 10.1“ wurde ein universelles portables Instrument zur Luftprobennahme entwickelt, mit dem Ziel, Luftqualitäten analytisch zu beurteilen und den mikrobiologischen Einfluss zu prüfen. Das Gerät ist mit verschiedenen Probenahmesystemen ausgestattet, die es ermöglichen, vier unterschiedliche Betriebsmodi zu realisieren. Es können sowohl lufttragende Keime als auch chemische und/oder partikuläre Luftschadstoffe gesammelt werden. Hierzu können verschiedene Abscheidungsverfahren gewählt werden, wie das Impinger-, das Filtrationsprinzip sowie Adsorptions- und Absorptionsprinzipien.