Ingo Rechenberg

Biosensoren mit Algen, Muscheln und Kartoffelkäfern

Exotische Biosensoren im Einsatz

PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik II (Biosensorik / Bioinformatik)

Biosensor =

Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem

Analyt Enzym Trans- ducer

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Der klassische Biosensor

Biotechnologie Wenig Bionik

Es sind bis heute ca. 5000 Enzyme bekannt. Der Name eines Enzyms wird aus drei Teilen gebildet:

1. Namen des Substrates2. Typ der katalysierten Reaktion3. Suffix "-ase"

Beispiele für Oxidase-Enzyme

Glucose-OxidaseCholesterin-OxidaseLactat-OxidaseAlkohol-OxidaseAldehyd-OxidaseGlycolat-OxidaseOxalat-OxidaseAscorbat-OxidasePhenol-OxidaseXanthin-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.

Analyt Enzym Trans- ducer

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Der klassische Biosensor

Besonders gern gesehen, wenn das Reaktionsprodukt des Enzyms einen elektrochemischen Prozess einleitet!

e- A

Kupfer / Zink-Zelle

Kupferelektrode Zinkelektrode

HalbdurchlässigeMembran

24

2 SOCu 24

2 SOZn

2Cu 2Zn

24SO

Daniell-Element

e-

1234 Fu

nktio

nssc

hritt

e

Zum Anklicken

Sonderformen von Biosensoren

Analyt Bio-Rezeptor

Trans- ducer

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Lackmus ist ein blauer Farbstoff, der z. B. aus der Flechte Roccella fuciformis gewonnen wird.

Säure Base

Färberflechte (Roccella fuciformis)

Biosensor „Lackmuspapier“

pH

Schon im 13. Jahrhundert wurde Lackmus von Arnaldus de Villanova, einem Alchemisten und Arzt, als chemisches Reagenz verwendet.

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 -Galaktosidase. Unter Zugabe der Indikatorsubstanz X-Gal entsteht eine Blaufärbung. Die Intensität der Blaufärbung korreliert mit der Arsenkonzentration der Probe.

Biosensor für Arsennachweis im Wasser(Meldung vom 29. 10. 2002)

Escherichia coli

X-Gal 5-Brom-4-chlor-3-indoxyl-β-D-galactopyranosid

Bienenstock als Geigerzähler

„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

Geigerzähler

Hamburg ist europäisches Vorbild. Lübeck und Hannover haben es mit vier weiteren deutschen Flughäfen nachgemacht - und im vergangenen Jahr orientierte sich auch Salzburg am Hambur-ger Bienen-Projekt. Dessen "Vater" ist der Umwelttechniker Ingo Fehr, der - metallene Flug-objekte im Hintergrund, und pelzig-gestreifte vor der Nase - in seiner Eigenschaft als Hobby-Imker 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.

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

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."

Flughafenbienen im Einsatz

Düsseldorf International

betreibt Biomonitoring

Der Leuchtbakterientest ist ein etabliertes Biotest-verfahren 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

Vibrio fischeri

Kultur 3 Tage, 20°CSeewasser- Komplettmedium

Forscher bauen Bakterien-Lichtorgel

Es sieht aus wie eine Mikroben-Disco, was US-Forscher mit E.-Coli-Bakterien 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.

(SPIEGEL ONLINE: 30. 10. 2008)

Die Algenkultur wird 15 Minuten belichtet, sodass die Photosynthese in Gang kommt. Bringt man die belich-teten 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 Nachleuch-ten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthe-tisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte verän-dern die Abklingkinetik der verzögerten Fluoreszenz.

Biosensor: Algentoximeter

Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frühwarn-system 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.

Biosensor: Daphnientoximeter

Rheinwasser

Ablauf

Infrarot-Lampen

Infrarot-Sensoren

Dentalkleber

Halterung

Sensor Sensor

DreikantmuschelDreissena polymorpha

Eine Muschel schließt ihre Schale, um sich vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die Schalenöffnungsweite nimmt bei einem Schad-stoffeintrag ab. Die Schalenöffnungsweite der Muschel wird mit zwei Strom durchflossenen Spulen gemessen, von denen die eine ein Magnetfeld erzeugt, die andere die Magnetfeldstärke misst.

Biosensor: Muscheltoximeter

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.

Firma: bbe Moldaenke

Fischtoximeter zur Trinkwasserüberwachung

64 Lichtschranken zur Erkennung der Fischbewegungen 30 Lichtschranken zur Erkennung von immobilen Fischen

Biosensor:

Fisch Toximeter

„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

Biosensor: “Elefantenrüsselfisch” für die Trinkwasserkontrolle

Frequenzmesser

Hz

Elektroden

Gnathonemus petersii

Antiker Vorkoster alsexotischer Biosensor

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Alles in einem

Haschisch-Biosensor ?

Analyt

Beschleunigungssensor

Auswerteeinheit

Biologischer Eingang

Transducer

Analyt Enzym Trans- ducer

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Grünblattduft Z-3-hexen-1-ol

im Kartoffelfeld

Kartoffelkäfer

Antenne

Verstärker

Grünblattduft

KartoffelkäferElektrolyt

Referenzelektrode

Antenne

Transistor

Grünblattduft

Verstärker

Tran

sist

orst

rom

Messzeit

L u ft1 pp b 1 0 p p b

1 0 0 p p b

1 pp m

1 0 p p m

1 0 0 p p m

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-0,5

-0,0

-1,0

0,5

100 150 200 250 300 350ms

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.

Der Kartoffelkäfersensor

Weg zweier Duftmoleküle zur Riech-Sinneszelle

Ganzer Käfer

Elektrolyt

Antenne

Kartoffelkäfer

FET

Isolierte Antenne

Elektrolyt

Antenne

Elektrolyt

FET

Elektroantennographie (EAG)

Elektroantennographie (EAG)

Die Elektroantennographie (EAG) ist eine Methode zur Messung olfaktori-scher Reaktionen eines Insektes durch die Ableitung elektrischer Signale an seinen Antennen. Die Potenzialablei-tung erfolgt aus der Insektenantenne. Dazu muss eine Elektrode mit der An-tennenspitze verbunden werden, eine zweite mit dem anderen Ende der An-tenne bzw. dem Kopf des Insektes. Die abgeleiteten Potenziale werden mit einem hochohmigen Verstärker erfasst.

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.

EAG-Messungen zur Entwicklung neuer Methoden in der Schädlingsbekämpfung

Messung vonPheromonkonzentrationen

im Freiland mitElektroantennogrammen (EAG)

Hier wird der Fühler (Antenne) des Schadinsekts als Bio-Sensor in einem Messgerät eingesetzt, das wesentlich empfindlicher ist als herkömmliche chemische Messgeräte.

Mikro-Air-Vehikel mit Kartoffelkäfer-Elektroantennograph

Antennograph

Lokale Kartoffelkäfer-Elimination durch eine künstliche Libelle mit (Z-3-hexen-1-ol)-„Grünblattduft“-Sensor

Rotorlibelle des Bionik-Instituts

Micro Air Vehicle MAV

Hauptbahnhof LeipzigMAV mit Sprengstoffsensor

Ein pyrophiler Käfer, dessen "Technik" dazu dienen könnte, neue Infrarotempfänger zu entwickeln

Infrarotsensor

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 Duft-stoffe in den Antennen in Kombination mit einem Infrarot-Grubenorgan am Thorax (rote Pfeile).

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 im vielen Gehörorga-nen von Insekten Einsatz kommt, beispielsweise bei Heuschrecken und Grillen.

Infrarotsensoren des schwarzen Kiefernprachtkäfers

Die druckempfindliche Spitze der mechanischen Sinneszelle ist in einen winzigen runden Druckbe-hälter eingebettet, dessen Wand wie auch der Insektenpanzer aus Kutikula besteht. In dem Druck-behälter 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 gela-dene Ionen strömen. Diese Spannungsänderun-gen 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.

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 1 pg /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.

mV

EAG

Einen größeren Waldbrand kann der Kiefernprachtkäfer bis auf 50 km riechen

Kiefernprachtkäfer

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.

Der Miniatur-Federbalken verbiegt sich, sobald die gesuchte Substanz andockt

Die künstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Feder-bälkchen ( 500 µm lang, 100 µm breit, weniger als 1 µm 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 Ober-fläche führt durch Erhöhung der Oberflächenspannung zu einer Verbiegung des Siliziumbälkchens.

Die künstliche Nase von IBM

Siliziumbälkchen

Werden die Siliziumbälkchen mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet, können verschiedene Substanzen an den entsprechenden Rezeptor-schichten andocken. Die Durchbiegungen in der Größenordnung von 10 bis 20 nm können mit einem Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungs-muster gibt Auskunft über die Molekülkomposition.

Kontinuierliche Überwachung von Wundheilung mit Biosensoren

Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (R) in seine enzy-matisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Trans-ducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat-Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade theoretisch einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.

R R T T PDE PDE

cGMP

inaktivescGMP

3000 20001

Wichtig: Die Rückreaktion !

Ergänzung: Enzymkaskade Photorezeptor

Aktivierung

Inaktivierung

NS

N

S

Mechanisches Katalysatormodell

Das Signalmolekül ist zugleich der Katalysator.

Das Signalmolekül dockt an ein Helfermolekül an wodurch erst der Katalysator entsteht.

Das Helfermolekül stößt nach einer gegebene Zeitspanne das angedockte Signalmolekül ab.

Verfeinerung des Modells der Signalmolekül-Verstärkung

Sonderfall

Rezeptor

Rezeptor

NS

N

S

Das Signalmolekül dockt anDas Signalmolekül wird entferntBereit für ein neues Signalmolekül

Endewww.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.