Tröpfchenbasiertes Screening für die beschleunigte ... · Enzyme hergestellt werden. Nach Zugabe...
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Jahresbericht 2017 97 Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01 Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 06/2018. 4 3 Tröpchengeneration mit Durchmessern von unter 10 µm. 4 Tröpfchengenerator auf Trägerchip. Aufgabenstellung Biotechnologische Prozesse auf der Basis enzymatischer Kata- lyse ersetzen zunehmend großchemische Verfahren, da sie ökologischer und wirtschaftlicher sind sowie die Herstellung völlig neuartiger Stoffe, wie z. B. Bioplastik, ermöglichen. Die technologische Voraussetzung für die biotechnologische Produktion ist die Verfügbarkeit neuartiger, optimierter technischer Enzyme. Ihre Bereitstellung ist jedoch langwierig und teuer. Vorgehensweise Ausgehend von einem vorhandenen Enzymgen sollen daher eine Million verschiedene Enzymvarianten durch genetisches Engineering und anschließende zellfreie Enzymexpression erzeugt werden. Dabei dienen Tröpfchen mit einem Durchmesser von unter 10 µm als Mikroexpressionssysteme, in denen die Gene vereinzelt und aus ihnen mithilfe eines Zellextrakts Enzyme hergestellt werden. Nach Zugabe eines Substrats, das die Enzyme zu einem fluoreszenten Produkt verstoffwechseln, ist die Aktivität der Enzyme über die Fluoreszenzintensität bestimmbar. Besonders aktive und damit für die Produktion vielversprechende Enzymvarianten weisen ein hohes Fluo- reszenzsignal auf. Um die besten Enzyme für die Produktion zu selektieren, hat das Fraunhofer ILT ein tröpfchenbasiertes Screeningverfahren entwickelt, bei dem Mikrotröpfchen mit Enzymgenen, Zellextrakt und Substrat in eine ölige Phase injiziert und in einem Sortierchip auf ihre Fluoreszenz unter- sucht werden. Die besten Enzymkandidaten werden an einer mikrofluidischen Verzweigung mit stark fokussiertem Laserlicht aussortiert und auf dem Chip abgelegt. Eine Iteration des beschriebenen Vorgehens führt zu optimierten technischen Enzymen. Ergebnis Durch Selective Laser-Induced Etching (SLE) wurden mikro- fluidische Systeme aus Quarzglas entwickelt, mit denen 5 bis 10 µm große Tröpfchen bei Generationsraten oberhalb von 10 kHz erzeugt werden können. Die entwickelte Screening- und Sortierplattform durchmustert Tröpfchen mit Raten von größer 1 kHz und separiert durch optische Kräfte berührungslos und schonend Tröpfchen mit überschwelligem Fluoreszenzsignal. Anwendungsfelder Die Durchmusterungs- und Sortierplattform kann in der Biotechnologie für die beschleunigte, gerichtete Evolution von Enzymen eingesetzt werden. Darüberhinaus ist sie aber auch in der personalisierten Medizin zum Nachweis und zur Ablage im Blut zirkulierender Tumorzellen einsetzbar. Ansprechpartner Dipl.-Phys. Georg Meineke Telefon +49 241 8906-8084 [email protected] Dr. Achim Lenenbach Telefon +49 241 8906-124 [email protected] TRÖPFCHENBASIERTES SCREENING FÜR DIE BE- SCHLEUNIGTE EVOLUTION OPTIMIERTER ENZYME 3
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96 Jahresbericht 2017 Jahresbericht 2017 97Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, www.ilt.fraunhofer.de
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, Reg.-Nr.: DE-69572-01
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3 Tröpchengeneration mit Durchmessern
von unter 10 µm.
4 Tröpfchengenerator auf Trägerchip.
Aufgabenstellung
Biotechnologische Prozesse auf der Basis enzymatischer Kata-
lyse ersetzen zunehmend großchemische Verfahren, da sie
ökologischer und wirtschaftlicher sind sowie die Herstellung
völlig neuartiger Stoffe, wie z. B. Bioplastik, ermöglichen.
Die technologische Voraussetzung für die biotechnologische
Produktion ist die Verfügbarkeit neuartiger, optimierter
technischer Enzyme. Ihre Bereitstellung ist jedoch langwierig
und teuer.
Vorgehensweise
Ausgehend von einem vorhandenen Enzymgen sollen daher
eine Million verschiedene Enzymvarianten durch genetisches
Engineering und anschließende zellfreie Enzymexpression
erzeugt werden. Dabei dienen Tröpfchen mit einem Durchmesser
von unter 10 µm als Mikroexpressionssysteme, in denen die
Gene vereinzelt und aus ihnen mithilfe eines Zellextrakts
Enzyme hergestellt werden. Nach Zugabe eines Substrats, das
die Enzyme zu einem fluoreszenten Produkt verstoffwechseln,
ist die Aktivität der Enzyme über die Fluoreszenzintensität
bestimmbar. Besonders aktive und damit für die Produktion
vielversprechende Enzymvarianten weisen ein hohes Fluo-
reszenzsignal auf. Um die besten Enzyme für die Produktion
zu selektieren, hat das Fraunhofer ILT ein tröpfchenbasiertes
Screeningverfahren entwickelt, bei dem Mikrotröpfchen mit
Enzymgenen, Zellextrakt und Substrat in eine ölige Phase
injiziert und in einem Sortierchip auf ihre Fluoreszenz unter-
sucht werden. Die besten Enzymkandidaten werden an einer
mikrofluidischen Verzweigung mit stark fokussiertem Laserlicht
aussortiert und auf dem Chip abgelegt. Eine Iteration des
beschriebenen Vorgehens führt zu optimierten technischen
Enzymen.
Ergebnis
Durch Selective Laser-Induced Etching (SLE) wurden mikro-
fluidische Systeme aus Quarzglas entwickelt, mit denen 5 bis
10 µm große Tröpfchen bei Generationsraten oberhalb von
10 kHz erzeugt werden können. Die entwickelte Screening-
und Sortierplattform durchmustert Tröpfchen mit Raten
von größer 1 kHz und separiert durch optische Kräfte
berührungslos und schonend Tröpfchen mit überschwelligem
Fluoreszenzsignal.
Anwendungsfelder
Die Durchmusterungs- und Sortierplattform kann in der
Biotechnologie für die beschleunigte, gerichtete Evolution von
Enzymen eingesetzt werden. Darüberhinaus ist sie aber auch
in der personalisierten Medizin zum Nachweis und zur Ablage
im Blut zirkulierender Tumorzellen einsetzbar.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. Georg Meineke
Telefon +49 241 8906-8084
Dr. Achim Lenenbach
Telefon +49 241 8906-124
TRÖPFCHENBASIERTES SCREENING FÜR DIE BE-SCHLEUNIGTE EVOLUTION OPTIMIERTER ENZYME
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