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Biosensors and Biofuel cellswith engineered proteins

Seminar Biotechnologie 2Lisa Marie FinklerWS 2012/13Betreuer: Prof. Dr. Kohring

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Gliederung

•Aufbau einer Biokraftstoffzelle•Aufbau eines Biosensors

•Detektionsprinzipien von Sensoren▫Piezoelektrisch▫Optisch▫Kalorimetrisch▫Elektrochemisch

•Anwendungsbereiche

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Gliederung•Erkennungsprinzipien von Biosensoren

▫Enzymbasiert▫Antikörperbasiert▫Zellbasiert▫DNA-basiert▫Rezeptorbasiert

•Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität)

•Verbesserungsansätze der Betriebsparameter

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Aufbau einer Biokraftstoffzelle

[8]

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Aufbau einer Biokraftstoffzelle• Mediator-basierte

• Mediatorlose mikrobielle Brennstoffzelle

Redoxmediatoren Transport von Elektronenz.B.: Methylenblau, Thionin, Neutralrot

• Enzymatische Brennstoffzellen▫ Hohe Spezifizität▫ Keine Trennung der

Kompartimente notwendig▫ Miniaturisierung möglich

• Mikrobielle Brennstoffzellen▫ Breiteres Substratspektrum▫ Enzyme in natürlicher

Umgebung

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Aufbau eines Biosensors

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Detektionsprinzipien von Sensoren

UmwandlerPiezo-

elektrische

Sensoren

Optische

Detektion

Kalorimetrie

Elektro-chemisc

he Sensore

n

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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

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Optische Sensoren• Bestimmung des O2-Gehaltes von Gewässers• Optode: Lichtwellenleiter mit Indikator• Bindung des Analytes Veränderung der

Absorptions- oder Lumineszenzeigenschaften

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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

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Kalorimetrische Sensoren• Reaktion

Wärmefreisetzung

• Temperaturerhöhung abhängig von der Stoffmenge der Reaktionspartner

• Bsp.: Umsetzung von Glucose durch Glucoseoxidase

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Elektrochemische Sensoren• Amperometrische Sensoren

Messung des Stromflusses in einer Messkammer an zwei Elektroden bei konstanter Spannung

Änderung des Stromflusses bei Ausbildung eines Analyt-Rezeptor-Komplexes

geeignet für leicht oxidierbare, reduzierbare Substanzen

• Potentiometrische Sensoren

quantitave Bestimmung der Ionen aufgrund ihres elektrischen Potentials (Messelektrode)

Änderung der Spannung bei Ausbildung eines Analyt-Rezeptor-Komplexes

geeignet für ionische Reaktionsprodukte

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Elektrochemische Sensoren

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AnwendungsbereicheMedizin Stoffwechselprodukte

(Blutzucker, Cholesterin, Harnstoff)

Umweltanalytik Pestizide, ChemikalienBakteriengehalt

Sicherheitskontrolle Gifte, Drogen

Lebensmittelkontrolle pH-Wert, Toxine, SchimmelAromastoffe

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Erkennungsprinzipien von Biosensoren

[9]

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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

+

-

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Antikörperbasierte Biosensoren• Immunosensoren binden Substanzen spezifisch• Nicht geeignet für komplexe ProbenVerschiedene AnsätzeMikrochips (immobilisierte Antikörper)River Analyzer (Bindungshemmtest)

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Zellbasierte Biosensoren• Gliederung nach Zelltyp

(Bakterien, Hefen, Algen)GEMs (genetically engineered bacteria)Detektion der Substanzen durch regulatorische

SystemSubstanzen: DNA-schädigende Substanzen,

Strahlung, Hitze, toxische Metalle, UmweltgifteVorteil: selbstständige Produktion von Enzymen,

Kofaktoren; selbstreplizierend; Transducervariabilität

Nachteil: abhängig von vielen Umweltfaktoren; Zeit (Signal); begrenzter Konzentrationsbereich

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DNA-basierte Biosensoren

• Einsatz:

▫ Medizinische Diagnostik

▫ Umweltanalytik▫ Lebensmittelindustrie

DNA-schädigende Chemikalien

fluoreszenzbasierte Biosensoren

DNA-Microarray

Rezeptorbasierte Biosensoren

Vorteil:

▫ Detektion jeglicher Substanzen in relevanten Konzentrationen

Endokrin wirksame Substanzen (chemische, natürliche Verbindungen)

Bsp.: humane Östrogen-rezeptor Alpha

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Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität)

Funktion von Proteinen:• Spezifische Erkennung der Analytmoleküle• Signalweiterleitung

[10]

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Biokraftstoffzelle

Anode: ElektronenquelleOxidation von Glucose (Glucoseoxidase)

Kathode: ElektronensenkeReduktion von O2(Lactase)

2 Enzyme: keine Kreuzreaktion

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Vergleich von Biosensoren (1) und Biokraftstoffzellen (2)

• 1) hochspezifisch• 2) Breites

SubstratspektrumSelektivität

• 1) Lineare Antwort über den Konzentrationsbereich

• 2) Höchste UmsatzrateSensitivität

• 1) Lagerfähigkeit• 2) StromgenerierungStabilität

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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 GoldoberflächeBsp.: Verknüpfung über langen terminalen Peptidlinker Flexibilität; keine Denaturierung

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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 LignocelluloseVerringerung der strukturellen Komplexität Verwertung als Substrat für Biokraftstoffzelle

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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

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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-fuer-

quantitive-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-fuer-quantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch

[16] daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de[17] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2005/images/woche42/abb2.jpg