Biosensors and Biofuel cells with engineered proteins

1. Biosensors andBiofuelcellswithengineeredproteins 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

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

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 (geneticallyengineeredbacteria) • 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: • 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 (Selektivität, Sensitivität, Stabilität) Funktion von Proteinen: • Spezifische Erkennung der Analytmoleküle • Signalweiterleitung [10]

21. 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)

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 oligomererLignocellulose • Verringerung der strukturellen Komplexität • Verwertung als Substrat für Biokraftstoffzelle

25. 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, EkbertHering,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; KatrinReder-Christ, GerdBendas; Sensors (2011), 11, 9450-9466

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; AnalyticaChimicaActa 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