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

Biosensor =

Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem

Lackmus ist ein blauer Farbstoff, der z. B. aus der Flechte Roccella fuciformis gewonnen wird.

Säure Base

Färberflechte (Roccella fuciformis)

Biosensor „Lackmuspapier“

Schon um 1300 n. Chr. wurde Lackmus von Arnaldus de Villanova, einem Alchemisten und Arzt, als chemisches Reagenz verwendet.

pH

Der Papierstreifentest funktioniert mit genmanipulierten Escherichia Coli Bakterien als Biosensoren. Auf dem Teststreifen sind die Bakterien mit einem immobilisierenden Nährsubstrat 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 Blaufärbung. Die Intensität der Blaufärbung korreliert mit der Arsenkonzentration der Probe.

Biosensor für Arsennachweis im Wasser(Meldung vom 29. 10. 2002)

Escherichia coli

Bienenstock als Geigerzähler

„Die radioaktive Durchseuchung stellt eine rasch zunehmende Gefahr für viele zivilisierte Länder dar. Da nun Bienen das biologisch wichtige radioaktive Element Strontium 90 speichern, das bei Atomentladungen entsteht, hat man neuerdings in der Nähe von Forschungszentren Bienenstöcke aufgestellt, die mit Geigerzählern versehen sind. Wenn die Bienen zum Stock zurückkehren, registriert der Geigerzähler die radioaktiven Spuren, und es läst sich leicht erkennen, in welchem Ausmaß 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 Luftqualität 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

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 über 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, 20°CSeewasser- Komplettmedium

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 (Wellenlänge 680nm bis 720nm) gemessen werden, die so genannte verzögerte Fluoreszenz. Dieses schwache Nachleuch-ten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthe-tisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte verän-dern die Abklingkinetik der verzögerten Fluoreszenz.

Der Algentest

Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frühwarn-system mit Wasserflöhen. Die Testorganismen Daphnia magna befinden sich in einem Glascontainer im Inneren des Gerätes und werden von einer Video-Kamera rund um die Uhr beobachtet. Die Schwimmbahnen der Tiere werden aufgezeichnet und analysiert. Änderungen im Schwimmverhalten der Tiere zeigen die Anwesenheit von toxischen Stoffen an.

Daphnientoximeter

Rheinwasser

Ablauf

Infrarot-Lampen

Infrarot-Sensoren

„Sieben Nilhechte kontrollieren zurzeit das Trinkwasser der Stadtwerke Göppingen. 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

Biosensor “Elefantenrüsselfisch” für die Trinkwasserkontrolle

Frequenzmesser

Hz

Elektroden

Gnathonemus petersii

Grünblattduft Z-3-hexen-1-ol

im Kartoffelfeld

Kartoffelkäfer

Antenne

Verstärker

Grünblattduft

KartoffelkäferElektrolyt

Referenzelektrode

Antenne

Transistor

Grünblattduft

Verstärker

Tran

sist

orst

rom

Messzeit

L u ft1 pp b 1 0 p p b

1 0 0 p p b

1 pp m

1 0 p p m

1 0 0 p p m

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-0,5

-0,0

-1,0

0,5

100 150 200 250 300 350ms

Die Spitze der Käferantenne taucht in einen Elektrolyten, der den elektrischen Kontakt zwischen Antenne und Transistor herstellt. Riecht der Käfer verletzte Pflanzen, macht sich das in einem veränderten Transistorstrom bemerkbar, der am Messgerät abgelesen werden kann.

Der Kartoffelkäfersensor

Ganzer Käfer

Elektrolyt

Antenne

Kartoffelkäfer

FET

Isolierte Antenne

Elektrolyt

Antenne

Elektrolyt

FET

Elektroantennographie (EAG)

Elektroantennographie (EAG)

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 Verstärker verstärkt.

Mikro-Air-Vehikel mit Kartoffelkäfer-Elektroantennograph

Lokale Kartoffelkäfer-Elimination durch eine künstliche Libelle mit (Z-3-hexen-1-ol)-„Grünblattduft“-Sensor

Die Antenne des Kiefernprachtkäfers als hochempfindlicher Rauchgasdetektor

Infrarotorgan

Rauchgasdetektor

Prachtkäfer ( Melanophila) benötigen als Nah-rungsquelle für ihre Larven das Holz verbrannter Bäume. Aus diesem Grund fliegen die Käfer Waldbrände auch aus großen Entfernungen an. Das Auffinden von Waldbränden erfolgt mittels ihres Geruchssinns für brandspezifische Duft-stoffe in den Antennen in Kombination mit einem Infrarot-Grubenorgan am Thorax (rote Pfeile).

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 können (bis 1 pg /ml). Unter Berücksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz in Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschätzt werden, dass ein einziger, auf 2 m Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in über 1 km Entfernung von den Käfern zu riechen ist.

Diese Abschätzung 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 Oberförsterei Hammer) bestätigt werden.

mV

EAG

Einen größeren Waldbrand kann der Kiefernprachtkäfer bis auf 50 km riechen

Der Miniatur-Federbalken verbiegt sich, sobald die gesuchte Substanz andockt

Die künstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Feder-bälkchen ( 500 µm lang, 100 µm breit, weniger als 1 µm dick). Die Bälkchen werden auf einer Seite mit Rezeptoren beschichtet. Moleküle der gesuchten Substanz docken an der Oberfläche an. Die Erhöhung der molekularen “Packungsdichte” auf der Ober-fläche führt durch Erhöhung der Oberflächenspannung zu einer Verbiegung des Siliziumbälkchens.

Die künstliche Nase von IBM

Werden die Siliziumbälkchen mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet, können verschiedene Substanzen an den entsprechenden Rezeptor-schichten andocken. Die Durchbiegungen in der Größenordnung von 10 bis 20 nm können mit einem Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungs-muster gibt Auskunft über die Molekülkomposition.

NS

N

S

Katalysatormodell

Katalysatormodell

Das Signalmolekül ist zugleich der Katalysator.

Das Signalmolekül dockt an ein Helfermolekül an wodurch erst der Katalysator entsteht.

Das Helfermolekül stößt nach einer gegebene Zeitspanne das angedockte Signalmolekül ab.

Verfeinerung des mechanischen Katalysatormodells

Ende