Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Algen, Daphnien und...

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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Algen, Daphnien und Kartoffelkäfer Exotische Biosensoren im Einsatz Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
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    05-Apr-2015
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  • Folie 1
  • Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Algen, Daphnien und Kartoffelkfer Exotische Biosensoren im Einsatz Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
  • Folie 2
  • Biosensor = Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem
  • Folie 3
  • Lackmus ist ein blauer Farbstoff, der z. B. aus der Flechte Roccella fuciformis gewonnen wird. Sure Base Frberflechte (Roccella fuciformis) Biosensor Lackmuspapier Schon um 1300 n. Chr. wurde Lackmus von Arnaldus de Villanova, einem Alchemisten und Arzt, als chemisches Reagenz verwendet. pH
  • Folie 4
  • Der Papierstreifentest funktioniert mit genmanipulierten Escherichia Coli Bakterien als Biosensoren. Auf dem Teststreifen sind die Bakterien mit einem immobilisierenden Nhrsubstrat 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 beta- Galaktosidase. Unter Zugabe der Indikatorsubstanz X-Gal entsteht eine Blaufrbung. Die Intensitt der Blaufrbung korreliert mit der Arsenkonzentration der Probe. Biosensor fr Arsennachweis im Wasser (Meldung vom 29. 10. 2002) Escherichia coli
  • Folie 5
  • Bienenstock als Geigerzhler Die radioaktive Durchseuchung stellt eine rasch zunehmende Gefahr fr viele zivilisierte Lnder dar. Da nun Bienen das biologisch wichtige radioaktive Element Strontium 90 speichern, das bei Atomentladungen entsteht, hat man neuerdings in der Nhe von Forschungszentren Bienenstcke aufgestellt, die mit Geigerzhlern versehen sind. Wenn die Bienen zum Stock zurckkehren, registriert der Geigerzhler die radioaktiven Spuren, und es lst sich leicht erkennen, in welchem Ausma eine radioaktive Durchseuchung vorliegt. Deutsche Medizinische Wochenschrift, 80. Jahrgang, Nr. 20, S. 803, Mai 1955 Bienen als Biodetektive Hamburg - 60 000 Bienen sollen am Hamburger Flughafen die Luftqualitt testen. Eine Belastung von Pflanzen kann in ihrem Honig zweifelsfrei nachgewiesen werden. Bisher sei der Honig immer einwandfrei gewesen und verschenkt worden, teilte der Flughafen mit. Der Tagesspiegel, 4./ 5. Mai 2005
  • Folie 6
  • 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 ber 20 Prozent wird als toxische Wirkung angesehen. Die Details des Verfahrens sind in der DIN-Norm 38412 Teil 34 beschrieben. Der Leuchbakterientest Vibrio fischeri Kultur 3 Tage, 20C Seewasser- Komplettmedium
  • Folie 7
  • 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 (Wellenlnge 680nm bis 720nm) gemessen werden, die so genannte verzgerte Fluoreszenz. Dieses schwache Nachleuch- ten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthe- tisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte vern- dern die Abklingkinetik der verzgerten Fluoreszenz. Der Algentest
  • Folie 8
  • Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frhwarn- system mit Wasserflhen. Die Testorganismen Daphnia magna befinden sich in einem Glascontainer im Inneren des Gertes und werden von einer Video-Kamera rund um die Uhr beobachtet. Die Schwimmbahnen der Tiere werden aufgezeichnet und analysiert. nderungen im Schwimmverhalten der Tiere zeigen die Anwesenheit von toxischen Stoffen an. Daphnientoximeter Rheinwasser Ablauf Infrarot- Lampen Infrarot- Sensoren
  • Folie 9
  • Sieben Nilhechte kontrollieren zurzeit das Trinkwasser der Stadtwerke Gppingen. 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
  • Folie 10
  • Biosensor Elefantenrsselfisch fr die Trinkwasserkontrolle
  • Folie 11
  • Grnblattduft Z-3-hexen-1-ol im Kartoffelfeld Kartoffelkfer
  • Folie 12
  • Die Spitze der Kferantenne taucht in einen Elektrolyten, der den elektrischen Kontakt zwischen Antenne und Transistor herstellt. Riecht der Kfer verletzte Pflanzen, macht sich das in einem vernderten Transistorstrom bemerkbar, der am Messgert abgelesen werden kann. Der Kartoffelkfersensor
  • Folie 13
  • Ganzer Kfer Elektrolyt Antenne Kartoffelkfer FET Isolierte Antenne Elektrolyt Antenne Elektrolyt FET Elektroantennographie (EAG)
  • Folie 14
  • 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 Verstrker verstrkt.
  • Folie 15
  • Mikro-Air-Vehikel mit Kartoffelkfer-Elektroantennograph
  • Folie 16
  • Lokale Kartoffelkfer-Elimination durch eine knstliche Libelle mit (Z-3-hexen-1-ol)-Grnblattduft-Sensor
  • Folie 17
  • Die Antenne des Kiefernprachtkfers als hochempfindlicher Rauchgasdetektor Infrarotorgan Rauchgasdetektor Prachtkfer ( Melanophila ) bentigen als Nah- rungsquelle fr ihre Larven das Holz verbrannter Bume. Aus diesem Grund fliegen die Kfer Waldbrnde auch aus groen Entfernungen an. Das Auffinden von Waldbrnden erfolgt mittels ihres Geruchssinns fr brandspezifische Duft- stoffe in den Antennen in Kombination mit einem Infrarot-Grubenorgan am Thorax (rote Pfeile).
  • Folie 18
  • 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 knnen (bis 1 pg /ml). Unter Bercksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz in Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschtzt werden, dass ein einziger, auf 2 m Hhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in ber 1 km Entfernung von den Kfern zu riechen ist. Diese Abschtzung 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 Oberfrsterei Hammer) besttigt werden. mV EAG Einen greren Waldbrand kann der Kiefernprachtkfer bis auf 50 km riechen
  • Folie 19
  • Der Miniatur-Federbalken verbiegt sich, sobald die gesuchte Substanz andockt Die knstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Feder- blkchen ( 500 m lang, 100 m breit, weniger als 1 m dick). Die Blkchen werden auf einer Seite mit Rezeptoren beschichtet. Molekle der gesuchten Substanz docken an der Oberflche an. Die Erhhung der molekularen Packungsdichte auf der Ober- flche fhrt durch Erhhung der Oberflchenspannung zu einer Verbiegung des Siliziumblkchens. Die knstliche Nase von IBM
  • Folie 20
  • Werden die Siliziumblkchen mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet, knnen verschiedene Substanzen an den entsprechenden Rezeptor- schichten andocken. Die Durchbiegungen in der Grenordnung von 10 bis 20 nm knnen mit einem Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungs- muster gibt Auskunft ber die Moleklkomposition.
  • Folie 21
  • Katalysatormodell
  • Folie 22
  • Folie 23
  • Das Signalmolekl ist zugleich der Katalysator. Das Signalmolekl dockt an ein Helfermolekl an wodurch erst der Katalysator entsteht. Das Helfermolekl stt nach einer gegebene Zeitspanne das angedockte Signalmolekl ab. Verfeinerung des mechanischen Katalysatormodells
  • Folie 24
  • Ende