Biosensors and Biofuel cells with engineered proteins

Präsentation zum Thema: "Biosensors and Biofuel cells with engineered proteins"—  Präsentation transkript:

1 Biosensors and Biofuel cells with engineered proteins
Seminar Biotechnologie 2 Lisa Marie Finkler WS 2012/13 Betreuer: Prof. Dr. Kohring

2 Gliederung Aufbau einer Biokraftstoffzelle Aufbau eines Biosensors
Detektionsprinzipien von Sensoren Piezoelektrisch Optisch Kalorimetrisch Elektrochemisch Anwendungsbereiche

3 Gliederung Erkennungsprinzipien von Biosensoren
Enzymbasiert Antikörperbasiert Zellbasiert DNA-basiert Rezeptorbasiert Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität) Verbesserungsansätze der Betriebsparameter

4 Aufbau einer Biokraftstoffzelle
[8]

5 Aufbau einer Biokraftstoffzelle
Mediator-basierte Mediatorlose mikrobielle Brennstoffzelle Redoxmediatoren  Transport von Elektronen z.B.: Methylenblau, Thionin, Neutralrot Enzymatische Brennstoffzellen Hohe Spezifizität Keine Trennung der Kompartimente notwendig Miniaturisierung möglich Mikrobielle Brennstoffzellen Breiteres Substratspektrum Enzyme in natürlicher Umgebung

6 Aufbau eines Biosensors
[12]

7 Detektionsprinzipien von Sensoren
Umwandler Piezo-elektrische Sensoren Optische Detektion Kalorimetrie Elektro-chemische Sensoren

8 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

9 Optische Sensoren Bestimmung des O2-Gehaltes von Gewässers
Optode: Lichtwellenleiter mit Indikator Bindung des Analytes  Veränderung der Absorptions- oder Lumineszenzeigenschaften [16]

10 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 [13]

11 Kalorimetrische Sensoren
Reaktion  Wärmefreisetzung Temperaturerhöhung  abhängig von der Stoffmenge der Reaktionspartner Bsp.: Umsetzung von Glucose durch Glucoseoxidase [14]

12 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

13 Elektrochemische Sensoren
[17]

14 Anwendungsbereiche Medizin Stoffwechselprodukte
(Blutzucker, Cholesterin, Harnstoff) Umweltanalytik Pestizide, Chemikalien Bakteriengehalt Sicherheitskontrolle Gifte, Drogen Lebensmittelkontrolle pH-Wert, Toxine, Schimmel Aromastoffe

15 Erkennungsprinzipien von Biosensoren
[9]

16 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 + -

17 Antikörperbasierte Biosensoren
Immunosensoren binden Substanzen spezifisch Nicht geeignet für komplexe Proben Verschiedene Ansätze Mikrochips (immobilisierte Antikörper) River Analyzer (Bindungshemmtest) [15]

18 Zellbasierte Biosensoren
Gliederung nach Zelltyp (Bakterien, Hefen, Algen) GEMs (genetically engineered bacteria) Detektion der Substanzen durch regulatorische System Substanzen: DNA-schädigende Substanzen, Strahlung, Hitze, toxische Metalle, Umweltgifte Vorteil: selbstständige Produktion von Enzymen, Kofaktoren; selbstreplizierend; Transducervariabilität Nachteil: abhängig von vielen Umweltfaktoren; Zeit (Signal); begrenzter Konzentrationsbereich

19 DNA-basierte Biosensoren Einsatz: Rezeptorbasierte Biosensoren
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

20 Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen
Vergleich von Biosensoren und Biokraftstoffzellen (Selektivität, Sensitivität, Stabilität) Funktion von Proteinen: Spezifische Erkennung der Analytmoleküle Signalweiterleitung [10]

21 Anode: Elektronenquelle Oxidation von Glucose (Glucoseoxidase)
Biokraftstoffzelle Anode: Elektronenquelle Oxidation von Glucose (Glucoseoxidase) Kathode: Elektronensenke Reduktion von O2 (Lactase)  2 Enzyme: keine Kreuzreaktion [10]

22 Vergleich von Biosensoren (1) und Biokraftstoffzellen (2)
Selektivität 1) hochspezifisch 2) Breites Substratspektrum Sensitivität 1) Lineare Antwort über den Konzentrationsbereich 2) Höchste Umsatzrate Stabilität 1) Lagerfähigkeit 2) Stromgenerierung

23 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 Goldoberfläche Bsp.: Verknüpfung über langen terminalen Peptidlinker  Flexibilität; keine Denaturierung

24 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 Lignocellulose Verringerung der strukturellen Komplexität Verwertung als Substrat für Biokraftstoffzelle

25 Quellen [1] ( ) [2] ( ) [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, [7] Biosensor Applications in the Field of Antibiotic Research- A Review of Recent Developments; Katrin Reder-Christ, Gerd Bendas; Sensors (2011), 11,

26 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) [10] Biosensors and biofuel cells with engineered proteins; Daren J. Caruana, Stefan Howorka; Molecular BioSystems (2010), 6, [11] quantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch ( ) [12] [13] [14] [15] quantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch [16] daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de [17]