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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
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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
[12]
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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