Transcript pptx
1 Biosensors and Biofuel cells with engineered proteins Seminar Biotechnologie 2 Lisa Marie Finkler WS 2012/13 Betreuer: Prof. Dr. Kohring 2 Gliederung • Aufbau einer Biokraftstoffzelle • Aufbau eines Biosensors • Detektionsprinzipien von Sensoren ▫ ▫ ▫ ▫ Piezoelektrisch Optisch Kalorimetrisch Elektrochemisch • Anwendungsbereiche 3 Gliederung • Erkennungsprinzipien von Biosensoren ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Enzymbasiert Antikörperbasiert Zellbasiert DNA-basiert Rezeptorbasiert • Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität) • Verbesserungsansätze der Betriebsparameter 4 Aufbau einer Biokraftstoffzelle [8] 5 Aufbau einer Biokraftstoffzelle • Enzymatische Brennstoffzellen ▫ Hohe Spezifizität ▫ Keine Trennung der • Mediatorlose Kompartimente notwendig mikrobielle Brennstoffzelle ▫ Miniaturisierung möglich • Mediator-basierte Redoxmediatoren Transport von Elektronen z.B.: Methylenblau, Thionin, Neutralrot • Mikrobielle Brennstoffzellen ▫ Breiteres Substratspektrum ▫ Enzyme in natürlicher Umgebung 6 Aufbau eines Biosensors [12] 7 Detektionsprinzipien von Sensoren Umwandler Piezoelektrische Sensoren Kalorimetrie Optische Detektion Elektrochemische Sensoren 8 Piezoelektrische Sensoren • Die Schwingungsfrequenz eines Quarzes ist umgekehrt proportional zur Wurzel seiner Masse f≈√( 1/m) • Quarzkristall mit Rezeptorschicht Mikrowaage • Resonanzschwingung nach Anregung des Quarzes • Bindung von Substanzen Veränderung der Schwingung 9 Optische Sensoren • Bestimmung des O2-Gehaltes von Gewässers • Optode: Lichtwellenleiter mit Indikator • Bindung des Analytes Veränderung der Absorptions- oder Lumineszenzeigenschaften [16] 10 Optische Sensoren - SPR • Evaneszenz: ▫ tritt bei der Totalreflexion an optisch dichterem zu optisch dünnerem Lichtleiter auf ▫ Reflexion nicht direkt an der Grenzfläche ▫ Teil des Lichtes durchdringt die Grenzfläche [13] 11 Kalorimetrische Sensoren • Reaktion Wärmefreisetzung • Temperaturerhöhung abhängig von der Stoffmenge der Reaktionspartner • Bsp.: Umsetzung von Glucose durch Glucoseoxidase [14] 12 Elektrochemische Sensoren • Amperometrische Sensoren • Potentiometrische Sensoren Messung des Stromflusses in einer Messkammer an zwei Elektroden bei konstanter Spannung quantitave Bestimmung der Ionen aufgrund ihres elektrischen Potentials (Messelektrode) Änderung des Stromflusses bei Ausbildung eines AnalytRezeptor-Komplexes Änderung der Spannung bei Ausbildung eines AnalytRezeptor-Komplexes geeignet für leicht oxidierbare, reduzierbare Substanzen geeignet für ionische Reaktionsprodukte 13 Elektrochemische Sensoren [17] 14 Anwendungsbereiche Medizin Stoffwechselprodukte (Blutzucker, Cholesterin, Harnstoff) Umweltanalytik Pestizide, Chemikalien Bakteriengehalt Sicherheitskontrolle Gifte, Drogen Lebensmittelkontrolle pH-Wert, Toxine, Schimmel Aromastoffe 15 Erkennungsprinzipien von Biosensoren [9] 16 Enzymbasierte Biosensoren • Historisch die ersten Biosensoren • Optimierung durch genetische Veränderung (Enzymaktivität, Substratspezifizität) • Innovationen im Bereich der Immobilisierung (Sol-Gele, Redox-Mediatoren) • Inhibition durch Schadstoffe (toxische Metalle: Cu(II), Hg(II), Cd(II), Zn(II)) • Problem der Spezifizität zur Detektion von Schadstoffen innerhalb einer Klasse + - 17 Antikörperbasierte Biosensoren • Immunosensoren binden Substanzen spezifisch • Nicht geeignet für komplexe Proben Verschiedene Ansätze Mikrochips (immobilisierte Antikörper) River Analyzer (Bindungshemmtest) [15] 18 Zellbasierte Biosensoren • Gliederung nach Zelltyp (Bakterien, Hefen, Algen) GEMs (genetically engineered bacteria) Detektion der Substanzen durch regulatorische System Substanzen: DNA-schädigende Substanzen, Strahlung, Hitze, toxische Metalle, Umweltgifte Vorteil: selbstständige Produktion von Enzymen, Kofaktoren; selbstreplizierend; Transducervariabilität Nachteil: abhängig von vielen Umweltfaktoren; Zeit (Signal); begrenzter Konzentrationsbereich 19 DNA-basierte Biosensoren Rezeptorbasierte Biosensoren • Einsatz: Vorteil: ▫ Medizinische Diagnostik ▫ Umweltanalytik ▫ Lebensmittelindustrie ▫ Detektion jeglicher Substanzen in relevanten Konzentrationen DNA-schädigende Chemikalien fluoreszenzbasierte Biosensoren DNA-Microarray Endokrin wirksame Substanzen (chemische, natürliche Verbindungen) Bsp.: humane Östrogenrezeptor Alpha 20 Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität) Funktion von Proteinen: • Spezifische Erkennung der Analytmoleküle • Signalweiterleitung [10] 21 Biokraftstoffzelle Anode: Elektronenquelle Oxidation von Glucose (Glucoseoxidase) Kathode: Elektronensenke Reduktion von O2 (Lactase) [10] 2 Enzyme: keine Kreuzreaktion 22 Vergleich von Biosensoren (1) und Biokraftstoffzellen (2) Selektivität • 1) hochspezifisch • 2) Breites Substratspektrum Sensitivität • 1) Lineare Antwort über den Konzentrationsbereich • 2) Höchste Umsatzrate Stabilität • 1) Lagerfähigkeit • 2) Stromgenerierung 23 Verbesserungsansätze der Betriebsparameter von Biosensoren • Selektivität: „Protein Engineering“ Bsp.: Acetylcholinesterase Nachweis von Dichlorvos (Insektizid, umweltgefährdend) Inhibition: Senkung der katalytischen Aktivität Bestimmung der Konzentration über Aktivitätsänderung • Optimierung der Immobilisierung Bsp.: Bindung eines viralen Rezeptors über C-terminale Hexahistidin tag auf Goldoberfläche Bsp.: Verknüpfung über langen terminalen Peptidlinker Flexibilität; keine Denaturierung 24 Verbesserungsansätze der Betriebsparameter von Biokraftstoffzellen • Enges Substratspektrum bei biomedizinischen Biokraftstoffzellen (Glukose) • Breites Substratspektrum zur Energieerzeugung ▫ „Protein Engineering“ ▫ „nativen Multi-Enzym-Kaskade“ Bsp.: Abbau von oligomerer Lignocellulose Verringerung der strukturellen Komplexität Verwertung als Substrat für Biokraftstoffzelle 25 Quellen [1] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/woche45b.html (2.10.2012) [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_fuel_cell (2.10.2012) [3] Instrumentelle Analytik und Bioanalytik, Manfred H. Gey; Springer (2008) [4] Bioanalytische Und Biochemische Labormethoden; Kurt E. Geckeler,Heiner Eckstein; Vieweg [5] Sensoren in Wissenschaft und Technik: Funktionsweise und Einsatzgebiete, Ekbert Hering,Gert Schönfelder; Vieweg + Teubnder (2012) [6] Biofuel Cells for Self-Powered Electrochemical Biosensing and Logic Biosensing: A Review; Ming Zhou, Joseph Wang; Electroanalysis (2012), 24, No. 2, 197-209 [7] Biosensor Applications in the Field of Antibiotic Research- A Review of Recent Developments; Katrin Reder-Christ, Gerd Bendas; Sensors (2011), 11, 9450-9466 26 Quellen [8] http://2007.igem.org/wiki/index.php/Image:Fuelcell.JPG [9] Recent advances in biosensor techniques for environmental monitoring; K.R.Rogers; Analytica Chimica Acta 568 (2006) 222-231 [10] Biosensors and biofuel cells with engineered proteins; Daren J. Caruana, Stefan Howorka; Molecular BioSystems (2010), 6, 1548-1556 [11] http://www.git-labor.de/news/aus-der-wissenschaft/biosensoren-fuerquantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch (12.10.2012) [12] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2005/images/woche39/abb1.jpg [13] http://www.nature.com/nrd/journal/v1/n7/images/nrd838-f2.gif [14] http://www.diabeticus.de/infos/technik/img/Img00005.gif [15] http://www.git-labor.de/news/aus-der-wissenschaft/biosensoren-fuerquantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch [16] daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de [17] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2005/images/woche42/abb2.jpg