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

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Substratscreening mit Bio-Aktivitäts-Sensorik

Im Fließ-Analyse-System ist es möglich, Mikroorganismenzellen hinsichtlich bestimmter physiologischer Stoffwechselleistungen zu charakterisieren. Das Prinzip nennt sich „Bio-Aktivitäts-Sensorik“. Es sieht vor, Mikroorganismenzellen (Bakterien, Archaebakterien, Hefen, Pilze, Mikroalgen) nativ, d.h. unverändert im aktuellen physiologischen Zustand, mit einer Sequenz von Wirkstoffen zu beaufschlagen und die folgende Stoffwechselreaktion auszuwerten.

Ein einfaches Beispiel ist die Applikation des Substratscreenings. Aerobe Bakterien-Reinkulturen, Isolate, Mischkulturen oder Belebtschlämme werden dazu unmittelbar aus der Kulturlösung entnommen und in einer Sauerstoffmesszelle an einer porösen Membran fixiert. Sie werden permanent mit einer sauerstoffhaltigen Carrierlösung überströmt und durch Injektion mit einer Sequenz aus potenziellen Substraten beaufschlagt. Diese können beispielsweise organische Schadstoffe sein, die im Rahmen von Sanierungsaufgaben durch die Testkulturen mikrobiologisch abgebaut werden sollen.

Im Testverfahren werden bei den Verbindungen, die durch die Mikroorganismen verstoffwechselt werden können, aufgrund des verbrauchten Sauerstoffs in der Messzelle negative Signale angezeigt. Ein semiquantitativer Vergleich erfolgt relativ zu einem bekannten und allgemein gut verwertbaren Referenzsubstrat (z.B. Acetat, Glukose).

Dieses Verfahren erlaubt innerhalb weniger Minuten eine qualitative Abschätzung des Abbaupotenzials der Testkultur im Vorfeld von aufwendigeren Abbaubarkeitstests im Labor.

Messungen mit Mikroalgen

Phototrophe Zellen wie Mikroalgen oder Cyanobakterien bieten nicht nur ein großes Potenzial als Wertstoff- und Energielieferant, sondern können auch gut für diverse sensorische Messaufgaben eingesetzt werden.

Neben Pflanzengewebe bieten in der GMBU e.V. Mikroalgen ideale Rezeptorkomponenten, um:

  • Vitalitätszustände von Kulturlösungen zu überwachen
  • Gewässerqualitäten zu prüfen
  • Photosyntheseinhibitoren zu screenen
  • Zelldichten bei der Algenanzucht zu korrelieren

Als Messgrößen werden die lichtinduzierte Sauerstoff-Freisetzung sowie Lumineszenzeigenschaften herangezogen. In Kooperation mit der ECH GmbH Halle sind hierzu Geräteprototypen entwickelt worden.

Werden beispielsweise akut toxische Chemikalien mit Mikroalgen in Kontakt gebracht, können Hemmeffekte daran erkannt werden, dass nach einem Beleuchtungsimpuls von Algen ein verstärktes „Nachleuchten“ (Phosphoreszenz) abgegeben wird, das mehrere Sekunden anhält und detektiert werden kann. Dies lässt sich so erklären, dass die Lichtenergie durch die Anregung bei Schädigung der Algenzellen nicht mehr zielgerichtet in der Elektronentransportkette der Photosynthese abgeführt werden kann, sondern nun als Emissionslicht abgegeben wird.

Mit Hilfe eines FIA (Fließ-Injektions-Analyse) – Messplatzes kann weiterhin die Sauerstoffproduktion membranimmobilisierter Mikroalgenzellen vermessen werden. Dies lässt sich durch den Anstieg der Sauerstoffkonzentration in unmittelbarer Nähe des Algenimmobilisats in einer durchströmten Messzelle infolge Lichtexposition abbilden. Geschädigte Algenzellen, z.B. aufgrund der Wirkung von umweltrelevanten toxischen Chemikalien, liefern ein signifikant kleineres Sauerstoffsignal.