B2-13Fo4 - Bionik TU

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik II (Biosensorik /Bioinformatik)
Biosensoren mit Algen, Muscheln und Kartoffelkäfern
Exotische Biosensoren im Einsatz
Der klassische Biosensor
Technik
Biotechnologie
Analyt
Enzym
ein wenig Bionik
Transducer
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Klassischer Biosensor =
Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem
Der klassische Biosensor
Wenig Bionik
Biotechnologie
Analyt
Enzym
Transducer
Auf der Suche nach biologischen Schlössern, die zum
Schlüssel “Analyt“ passen
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Es sind bis heute ca. 5000 Enzyme bekannt. Der Name
eines Enzyms wird aus drei Teilen gebildet:
1. Namen des Substrates
2. Typ der katalysierten Reaktion
3. Suffix "-ase"
Beispiele für Oxidase-Enzyme
Glucose-Oxidase
Cholesterin-Oxidase
Lactat-Oxidase
Alkohol-Oxidase
Aldehyd-Oxidase
Glycolat-Oxidase
Oxalat-Oxidase
Ascorbat-Oxidase
Phenol-Oxidase
Xanthin-Oxidase
Als Oxidasen bezeichnet man
Enzyme, die die bei der
Oxidation eines Substrates
freiwerdenden Elektronen auf
Sauerstoff übertragen
Enzyme werden entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion in Enzymklassen eingeteilt:
Zum Beispiel:
Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.
Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen.
Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.
Lyasen und Synthetasen, die die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen
Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP.
Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen.
Ligasen oder Synthetasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind
als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Lyasen nur unter ATP-Spaltung
enzymatisch wirksam sind.
Der klassische Biosensor
Analyt
Enzym
Transducer
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Besonders gern gesehen, wenn
das Reaktionsprodukt des Enzyms
einen elektrochemischen Prozess
einleitet!
-
A
2
SO 4
Kupferelektrode
e
2
-
Cu
2
Cu
Kupfer / Zink-Zelle
Daniell-Element
Zinkelektrode
2
SO 4
Zn
Zn
2
2
2
SO4
Halbdurchlässige
Membran
1
2
3
4
Funktionsschritte
e
Zum Anklicken
Sonderformen von Biosensoren
Analyt
BioRezeptor
Was ist der einfachste
und vielleicht auch
älteste Biosensor ?
Transducer
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Biosensor „Lackmuspapier“
pH
Säure
Base
Lackmus ist ein blauer Farbstoff,
der z. B. aus der Flechte Roccella
fuciformis gewonnen wird.
Färberflechte (Roccella fuciformis)
Schon im 13. Jahrhundert wurde
Lackmus von Arnaldus de Villanova,
einem Alchemisten und Arzt, als
chemisches Reagenz verwendet.
Biosensor für Arsennachweis im Wasser
(Meldung vom 29. 10. 2002)
Escherichia coli
Der Papierstreifentest funktioniert mit genmanipulierten
Escherichia Coli Bakterien als Biosensoren. Auf dem Teststreifen
sind die Bakterien mit einem immobilisierenden Nährsubstrat
aufgetragen. Zur Messung wird der Teststreifen eine Stunde lang
in einen Becher der zu untersuchenden Trinkwasserprobe gelegt.
Ist anorganisches Arsen in der Probe enthalten, produzieren die
Bakterien entsprechende Mengen des Enzyms b-Galaktosidase.
Unter Zugabe der Indikatorsubstanz X-Gal entsteht eine
Blaufärbung. Die Intensität der Blaufärbung korreliert mit der
Arsenkonzentration der Probe.
X-Gal
5-Brom-4-chlor-3-indoxyl-β-D-galactopyranosid
Geigerzähler
Bienenstock als Biosensor
„Die radioaktive Durchseuchung stellt eine rasch zunehmende Gefahr für
viele zivilisierte Länder dar. Da nun Bienen das biologisch wichtige
radioaktive Element Strontium 90 speichern, das bei Atomentladungen
entsteht, hat man neuerdings in der Nähe von Forschungszentren
Bienenstöcke aufgestellt, die mit Geigerzählern versehen sind. Wenn die
Bienen zum Stock zurückkehren, registriert der Geigerzähler die
radioaktiven Spuren, und es läst sich leicht erkennen, in welchem Ausmaß
eine radioaktive Durchseuchung vorliegt.“
Deutsche Medizinische Wochenschrift, 80. Jahrgang, Nr. 20, S. 803, Mai 1955
Sanfter Anflug, süße Landung
Von großen und kleinen Brummern
Auf dem Hamburger Flughafen
überprüfen Bienen als Bio-Detektive
die Reinheit des Luftraums. Und
produzieren dabei leckeren und
erstaunlich sauberen Honig
Hamburg ist europäisches Vorbild. Lübeck und Hannover haben es mit vier weiteren deutschen
Flughäfen nachgemacht - und im vergangenen Jahr orientierte sich auch Salzburg am Hamburger Bienen-Projekt. Dessen "Vater" ist der Umwelttechniker Ingo Fehr, der - metallene Flugobjekte im Hintergrund, und pelzig-gestreifte vor der Nase - in seiner Eigenschaft als HobbyImker mit Schutzanzug und Pfeife ein bemerkenswertes Bild abgibt. Schon 1999 stellte er
Bienenvölker auf dem Flughafengelände auf. Zuletzt brachte er vier Völker mit etwa 60.000
Insekten nahe der Start- und Landebahnen in Lohn und Honig.
Flughafenbienen im Einsatz
Düsseldorf International
betreibt Biomonitoring
Auch 2008 hatten die schwarz-gelben Biodetektive des Airports die flughafennahe Flora wieder
fest im Blick: Zwischen April und August machten sich 200.000 Bienen ausgehend von ihren
Bienenkörben bei Tor 18 auf Nahrungssuche - und lieferten dadurch Rückschlüsse hinsichtlich
möglicher, umweltrelevanter Belastungen der direkten Flughafenumgebung. "Mithilfe dieses
Biomonitorings ergänzen wir unsere permanenten Systeme zur Erfassung und Dokumentation
der Luftqualität", so Christoph Blume, Sprecher der Flughafengeschäftsführung. "Die positiven
Untersuchungsergebnisse des Honigs stützen auch in diesem Jahr wieder die Ergebnisse
unserer kontinuierlichen Luftqualitätsmessungen."
Vibrio fischeri
Kultur 3 Tage, 20°C
Seewasser- Komplettmedium
Der Leuchtbakterientest ist ein etabliertes Biotestverfahren zur Detektion von Schadstoffwirkungen
in Wasserproben. Er beruht auf der Hemmung der
bakteriellen Biolumineszenz durch toxische
Substanzen. Leuchtbakterien des Stammes Vibrio
fischeri NRRL B-11177 werden den Wasserproben
zugesetzt. Die Lumineszenz wird vor und nach
Beendigung der Einwirkzeit gemessen. Eine
Hemmung über 20 Prozent wird als toxische
Wirkung angesehen. Die Details des Verfahrens
sind in der DIN-Norm 38412 Teil 34 beschrieben.
Der Leuchtbakterientest
Forscher bauen
Bakterien-Lichtorgel
(SPIEGEL ONLINE: 30. 10. 2008)
Es sieht aus wie eine Mikroben-Disco, was US-Forscher mit E.-ColiBakterien angestellt haben. Sie haben die Einzeller genetisch so
umgebaut, dass die wie Glühlampen rhythmisch aufleuchten, wenn
sich die Umgebungsbedingungen ändern. Keine Spielerei, sondern
der perfekte Biosensor.
Biosensor:
Algentoximeter
Die Algenkultur wird 15 Minuten belichtet, sodass die
Photosynthese in Gang kommt. Bringt man die belichteten Algen nun vom Hellen ins Dunkle, so kann ein
abklingendes dunkelrotes Nachleuchten (Wellenlänge
680nm bis 720nm) gemessen werden, die so genannte
verzögerte Fluoreszenz. Dieses schwache Nachleuchten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthetisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte verändern die Abklingkinetik der verzögerten Fluoreszenz.
Biosensor:
Daphnientoximeter
InfrarotSensoren
Rheinwasser
InfrarotLampen
Ablauf
Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frühwarnsystem mit Wasserflöhen. Die Testorganismen Daphnia
magna befinden sich in einem Glascontainer im Inneren
des Gerätes und werden von einer Video-Kamera rund
um die Uhr beobachtet. Die Schwimmbahnen der Tiere
werden aufgezeichnet und analysiert. Änderungen im
Schwimmverhalten der Tiere zeigen die Anwesenheit von
toxischen Stoffen an.
Firma: bbe Moldaenke
Biosensor:
Fisch Toximeter
Fischtoximeter zur Trinkwasserüberwachung
64 Lichtschranken zur Erkennung der Fischbewegungen
30 Lichtschranken zur Erkennung von immobilen Fischen
Eine Digitalkamera zeichnet Livebilder der Fische auf, die dann
von einem angeschlossener PC online analysiert werden. Jede
Art der Verhaltensänderung der Fische wird untersucht und
analysiert. Der so genannte "Toxische Index", der sich aus allen
Verhaltensparameter zusammensetzt, wird permanent berechnet.
Halterung
Dentalkleber
Sensor
Sensor
Biosensor: Muscheltoximeter
Eine Muschel schließt ihre Schale, um sich vor äußeren Einflüssen
zu schützen. Die Schalenöffnungsweite nimmt bei einem Schadstoffeintrag ab. Die Schalenöffnungsweite der Muschel wird mit
zwei Strom durchflossenen Spulen gemessen, von denen die eine
ein Magnetfeld erzeugt, die andere die Magnetfeldstärke misst.
Dreikantmuschel
Dreissena polymorpha
„Sieben Nilhechte kontrollieren zurzeit das
Trinkwasser der Stadtwerke Göppingen. Wenn
das Wasser in Ordnung ist, senden die in ein
Aquarium eingesetzten Tiere 400 bis 800
elektrische Impulse in der Minute aus. Bei
verschmutztem Wasser sinkt die Impulsrate.“
Tagesspiegel: 22. 11. 1978
Elektroden
Gnathonemus petersii
Hz
Frequenzmesser
Biosensor: “Elefantenrüsselfisch” für die Trinkwasserkontrolle
Alles in einem
Analyt
Enzym
Transducer
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Antiker Vorkoster als
exotischer Biosensor
Haschisch-Biosensor ?
Analyt
Enzym
Transducer
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Transducer
Auswerteeinheit
Beschleunigungssensor
Biologischer Eingang
Analyt
Kartoffelkäfer
Grünblattduft
Z-3-hexen-1-ol
im Kartoffelfeld
0,5
Der Kartoffelkäfersensor
-0,0
Die Spitze der Käferantenne taucht in einen Elektrolyten,
der den elektrischen Kontakt zwischen Antenne und
Transistor herstellt. Riecht der Käfer verletzte Pflanzen,
macht sich das in einem veränderten Transistorstrom
bemerkbar, der am Messgerät abgelesen werden kann.
Transistorstrom
-0,5
-1,0
Luft
1 ppb 10 ppb
-1,5
100 ppb
1 ppm
-2,0
-2,5
10 ppm
-3,0
-3,5
100
Referenzelektrode
Antenne
Grünblattduft
Elektrolyt
Antenne
Kartoffelkäfer
Grünblattduft
Transistor
Verstärker
Verstärker
100 ppm
150
200
250
Messzeit
300 ms
350
Weg zweier Duftmoleküle zur Riech-Sinneszelle
Elektroantennographie (EAG)
Kartoffelkäfer
Antenne
Antenne
Elektrolyt
FET
Ganzer Käfer
Elektrolyt
Elektrolyt
FET
Isolierte Antenne
Die Elektroantennographie (EAG) ist
eine Methode zur Messung olfaktorischer Reaktionen eines Insektes durch
die Ableitung elektrischer Signale an
seinen Antennen. Die Potenzialableitung erfolgt aus der Insektenantenne.
Dazu muss eine Elektrode mit der Antennenspitze verbunden werden, eine
zweite mit dem anderen Ende der Antenne bzw. dem Kopf des Insektes. Die
abgeleiteten Potenziale werden mit
einem hochohmigen Verstärker erfasst.
Elektroantennographie (EAG)
EAG-Messungen zur Entwicklung neuer Methoden
in der Schädlingsbekämpfung
Verwirrungstechnik: Schmetterlingsmännchen werden durch ein Überangebot
an synthetischen Weibchenpheromene verwirrt, ihre Orientierung gestört und
die Partnerfindung unterbunden. Diese Verwirrungstechnik hat sich vor allem
zum Schutz von Baumwolle und im Weinbau bewährt.
Messung von
Pheromonkonzentrationen
im Freiland mit
Elektroantennogrammen (EAG)
Hier wird der Fühler (Antenne) des Schadinsekts als BioSensor in einem Messgerät eingesetzt, das wesentlich
empfindlicher ist als herkömmliche chemische Messgeräte.
Kartoffelkäfer setzt (Z-3-hexen-1-ol)-Grünblattduft frei
Antennograph
für
Grünblattduft
Mikroflugvehikel (Libelloid)
Libelloid mit Einmoleküldetektor
eliminiert einen Kartoffelkäfer
Kartoffelfeld
Königslibelle, Walnuss und
kleinstes Mikro Air-Vehikel
des Bionik-Instituts
MAV mit Sprengstoffsensor
Hauptbahnhof Leipzig
Ein pyrophiler Käfer, dessen "Technik" dazu dienen
könnte, neue Infrarotempfänger zu entwickeln
Rauchgasdetektor
Prachtkäfer (Melanophila) benötigen als Nahrungsquelle
für ihre Larven das Holz verbrannter Bäume. Aus diesem
Grund fliegen die Käfer Waldbrände auch aus großen
Entfernungen an. Das Auffinden von Waldbränden erfolgt
mittels ihres Geruchssinns für brandspezifische Duftstoffe in den Antennen in Kombination mit einem InfrarotGrubenorgan am Thorax (rote Pfeile).
Infrarotsensor
Die besondere Arbeitsweise des Infrarotsensors
wurde von Prof. Helmut Schmitz an der Universität
Bonn aufgeklärt . Demnach wird der Wärmereiz
zunächst in eine Druckerhöhung umgewandelt,
die der Käfer dann registriert. Die Sinneszelle, mit
der er das tut, ist ein typischer Mechanorezeptor,
wie er beispielsweise auch in vielen Gehörorganen von Insekten Einsatz kommt, beispielsweise
bei Heuschrecken und Grillen.
Infrarotsensoren des schwarzen
Kiefernprachtkäfers
Die druckempfindliche Spitze der mechanischen
Sinneszelle ist in einen winzigen runden Druckbehälter eingebettet, dessen Wand wie auch der
Insektenpanzer aus Kutikula besteht. In dem Druckbehälter befinden sich einige hundertmilliardstel
Milliliter Wasser. Bei Bestrahlung mit Infrarotlicht der
passenden Wellenlänge erwärmt sich die Kutikula
und gibt die Wärmeenergie an die Flüssigkeit weiter,
die selber auch stark im mittleren Infrarot absorbiert.
Sie dehnt sich schlagartig aus, wodurch sich der
Druck im Kutikulabehälter erhöht.
Dadurch verformt sich die Spitze der Sinneszelle:
In ihr öffnen sich Kanäle, durch die elektrisch geladene Ionen strömen. Diese Spannungsänderungen registriert der Käfer, und das schon wenige
Tausendstel Sekunden nach dem Infrarot-Puls.
„Das Ganze funktioniert hydraulisch und damit fast
verzögerungsfrei - ähnlich wie im Auto, wenn Sie
aufs Bremspedal steigen“, erklärt Schmitz.
mV
Kiefernprachtkäfer
EAG
Der Elektroantennograph misst die elektrophysiologische Antwort einer isolierten Antenne von
M. acuminata auf die Komponenten des Rauchgases. Es konnte gezeigt werden, dass die
Antennen von M. acuminata Guajakol-Verbindungen im Rauchgas besonders empfindlich
nachweisen können (bis 1pg/ml). Unter Berücksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz in
Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschätzt werden, dass ein einziger,
auf 2 m Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in über 1 km Entfernung
von den Käfern zu riechen ist.
Diese Abschätzung konnte in Feldmessungen mit einem tragbaren Elektroantennograph,
der mit einer Antenne von M. acuminata ausgestattet war, in der weiteren Umgebung eines
Brandversuches (07.08.2001 Reisigwall in der Oberförsterei Hammer) bestätigt werden.
Einen größeren Waldbrand kann der Kiefernprachtkäfer bis auf 50 km riechen
Science-Fiction ?
Forscher der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH) entwickeln derzeit den
Lösch-Käfer OLE (Offroad LöschEinheit), der große Waldregionen mit Hilfe
von Infrarot und Biosensoren überwacht, Brandherde entdeckt und sofort
meldet und bekämpft. Der Lösch-Roboter ortet bei günstiger Windrichtung
ein Feuer in einer Entfernung bis zu einem Kilometer.
Siliziumbälkchen
Die künstliche Nase von IBM
Die künstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Federbälkchen (500 µm lang, 100µm breit, weniger als 1µm dick). Die
Bälkchen werden auf einer Seite mit Rezeptoren beschichtet.
Moleküle der gesuchten Substanz docken an der Oberfläche an.
Die Erhöhung der molekularen “Packungsdichte” auf der Oberfläche führt durch Erhöhung der Oberflächenspannung zu einer
Verbiegung des Siliziumbälkchens.
Der Miniatur-Federbalken
verbiegt sich, sobald die
gesuchte Substanz andockt
Werden die Siliziumbälkchen mit verschiedenen
Rezeptoren beschichtet, können verschiedene
Substanzen an den entsprechenden Rezeptorschichten andocken. Die Durchbiegungen in der
Größenordnung von 10 bis 20 nm können mit einem
Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungsmuster gibt Auskunft über die Molekülkomposition.
Kontinuierliche Überwachung von Wundheilung mit Biosensoren
Ergänzung: Enzymkaskade Photorezeptor
cGMP
Aktivierung
1
3000
R
R
T
T
2000
PDE
Inaktivierung
PDE
inaktives
cGMP
Wichtig: Die Rückreaktion !
Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (R) in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das
Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE*
wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-GuanosinmonophosphatMoleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die
Kaskade theoretisch einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.
S
S
N
N
Mechanisches Katalysatormodell
S
N
S
N
N
S
S
N
S
N
S
N
S
N
1000
· · ·
Sonderfall
Das Signalmolekül ist
zugleich der Katalysator.
Rezeptor
Das Signalmolekül dockt an
ein Helfermolekül an wodurch
erst der Katalysator entsteht.
Rezeptor
Das Helfermolekül stößt nach
einer gegebene Zeitspanne das
angedockte Signalmolekül ab.
Verfeinerung des Modells der Signalmolekül-Verstärkung
S
S
N
N
Das
wird
entfernt
Bereit
DasSignalmolekül
für
Signalmolekül
ein neues Signalmolekül
dockt
an
Ende
www.bionik.tu-berlin.de
1. Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lösungstension von Zink ist
größer. Deshalb gehen am Kupferstab nur wenige Kupferionen
in die Lösung, während sich am Zinkstab viele Zinkionen
ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. Die
Kupferelektrode ist deshalb positiver geladen als der Zinkstab,
d.h. es baut sich eine Spannung auf.
2. Die überschüssigen Elektronen im Zink wandern über einen
Leitenden Draht vom Zink zum Kupfer. Dabei lässt sich eine
Spannung von 1,11 Volt messen.
3. Die gelösten Kupferionen nehmen die Elektronen auf und
lagern sich als metallisches Kupfer an der Elektrode ab.
4. Wenn sich Kupferionen am Metallstab abscheiden entsteht ein
Überschuss an Sulfationen. Der osmotische Druck lässt die
Sulfationen durch die semipermeable Membran auf die Zinkseite
überwechseln. Der Stromkreis schließt sich.
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