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Biosensors and Biofuel cells
with engineered proteins
Seminar Biotechnologie 2
Lisa Marie Finkler
WS 2012/13
Betreuer: 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
[8]
5
Aufbau einer Biokraftstoffzelle
• Enzymatische
Brennstoffzellen
▫ Hohe Spezifizität
▫ Keine Trennung der
• Mediatorlose
Kompartimente notwendig
mikrobielle Brennstoffzelle
▫ Miniaturisierung möglich
• Mediator-basierte
Redoxmediatoren
 Transport von
Elektronen
z.B.: Methylenblau,
Thionin, Neutralrot
• Mikrobielle Brennstoffzellen
▫ Breiteres Substratspektrum
▫ Enzyme in natürlicher
Umgebung
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Aufbau eines Biosensors
[12]
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Detektionsprinzipien von Sensoren
Umwandler
Piezoelektrische
Sensoren
Kalorimetrie
Optische
Detektion
Elektrochemische
Sensoren
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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
[16]
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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
[13]
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Kalorimetrische Sensoren
• Reaktion  Wärmefreisetzung
• Temperaturerhöhung
 abhängig von der
Stoffmenge der
Reaktionspartner
• Bsp.: Umsetzung von Glucose
durch Glucoseoxidase
[14]
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Elektrochemische Sensoren
• Amperometrische Sensoren
• Potentiometrische Sensoren
 Messung des Stromflusses
in einer Messkammer an zwei
Elektroden bei konstanter
Spannung
 quantitave Bestimmung der
Ionen aufgrund ihres
elektrischen Potentials
(Messelektrode)
 Änderung des Stromflusses
bei Ausbildung eines AnalytRezeptor-Komplexes
 Änderung der Spannung
bei Ausbildung eines AnalytRezeptor-Komplexes
 geeignet für leicht
oxidierbare, reduzierbare
Substanzen
 geeignet für ionische
Reaktionsprodukte
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Elektrochemische Sensoren
[17]
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Anwendungsbereiche
Medizin
Stoffwechselprodukte
(Blutzucker, Cholesterin,
Harnstoff)
Umweltanalytik
Pestizide, Chemikalien
Bakteriengehalt
Sicherheitskontrolle
Gifte, Drogen
Lebensmittelkontrolle
pH-Wert, Toxine, Schimmel
Aromastoffe
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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 Proben
Verschiedene Ansätze
Mikrochips (immobilisierte Antikörper)
River Analyzer (Bindungshemmtest)
[15]
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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
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DNA-basierte Biosensoren Rezeptorbasierte Biosensoren
• Einsatz:
Vorteil:
▫ Medizinische Diagnostik
▫ Umweltanalytik
▫ Lebensmittelindustrie
▫ Detektion jeglicher
Substanzen in relevanten
Konzentrationen
DNA-schädigende
Chemikalien
fluoreszenzbasierte
Biosensoren
DNA-Microarray
Endokrin wirksame
Substanzen
(chemische, natürliche
Verbindungen)
 Bsp.: humane Östrogenrezeptor 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: Elektronenquelle
Oxidation von Glucose
(Glucoseoxidase)
Kathode:
Elektronensenke
Reduktion von O2
(Lactase)
[10]
 2 Enzyme: keine
Kreuzreaktion
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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
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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 Goldoberfläche
Bsp.: 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 Lignocellulose
Verringerung 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
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) 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-fuerquantitive-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-fuerquantitive-analytik-lebensmittel-und-wasseranalytik-milch
[16] daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de
[17] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2005/images/woche42/abb2.jpg