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1 Bio-MEMS - Wie können Einzeller oder - ResearchGate

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1 Bio-MEMS - Wie können Einzeller oder
Motorproteine in technischen Systemen „überleben“ ?
D. Voges, M. Stubenrauch, C. Schilling, H. Witte
1.1
Einleitung
In den letzten zehn Jahren wurden die Anwendungsgebiete für
mikrofluidische Systeme in der Biochemie, Pharmakologie, Diagnostik
oder Analytik immer zahlreicher. Mikroreaktoren, Zell-Separatoren,
Temperaturkontrollmodule und andere Sensorelemente für sehr kleine
Probevolumina unterstützen die Untersuchung von subzellulären
Systemen. Bio-MEMS (=Micro-Electro-Mechanical Systems) sollen für
die Untersuchung bzw. Beurteilung isolierter Zellen, Zellorganellen oder
Protisten über eine längere Zeitspanne ein kontrolliertes und stabiles
Umgebungsmilieu ermöglichen (s. Abb. 1). Zum Einen sollen die biologischen Untersuchungsobjekte weder auf dem chemischen noch auf dem
physikalischen Weg das MEMS beeinflussen. Und umgekehrt: es darf
keine Beeinflussung der biologischen Objekte durch das MEMS erfolgen.
Somit ist die wichtigste Umgebungsbedingung für das Überleben
biologischer Objekte in MEMS die physikalische und chemische
Biokompatibilität. Als Substrat sollten Silizium, Glas, Keramiken oder
spezifische Polymere, d.h. als biogene Beschichtungen, gewählt werden.
Ökonomische Aspekte der Materialwahl dürfen ebenfalls nicht
vernachlässigt werden. Preisgünstige, schnell und in großen Mengen
herstellbare Chips mit den unterschiedlichsten Designformen sind unser
Ziel.
Abb. 1: Biotische und abiotische Einflussmöglichkeiten auf ein Mikrofluid-Ökosystem.
1
Bio-MEMS – Wie können Einzeller oder Motorproteine in technischen Systemen
„überleben“ ?
1.2
Methode
Beispielsweise können in Bio-MEMS bei Toxizitäts-Tests (s. Abb. 1), zur
Indikation der Wasserqualität oder bei Messungen der Stabilität von
Monozellschichten auf technischen Oberflächen unter standardisierten
Bedingungen die Probenmengen deutlich verringert werden. Mit einem
kontinuierlichen und angepassten Medium-Zufluss ist es möglich, die
biologischen Objekte in einem technischen System über längere
Zeitspannen zu beobachten. Die Herstellung der Fluidstrukturen erfolgt
mit weitgehend standardisierten Prozessen für mikrofluidische Systeme
(Nass- und Trockenätzen von Silizium und anschließend anodisches
Bonden eines Glasdeckels).
1.3
Stand der Forschung
In einer engen Kooperation mit der Justus-Liebig-Universität Gießen
(Institut für Allgemeine Botanik) werden kristalloide P-Proteine (so
genannte Forisome: lateinisch: Türflügel, s. Abb. 5a und b) in Mikrofluidsystemen auf ihre Eigenschaft als Mikroaktoren getestet. Verschiedene
Vertreter der Einzeller (Protozoa) werden ebenfalls als Untersuchungsobjekte gewählt.
Diese Proteine, die im Phloem (ein biologisches Mikrofluidsystem mit
einem Innendruck von ca. 3,5 MPa) der Bohnenpflanzen (Fabaceae)
vorkommen, sollen in Mikrosystemen als biogene Ventile bzw. Schalter
dienen (s. Abb. 3). Bei Zugabe von Kalzium-Ionen haben sie die
Eigenschaft, sich innerhalb von Millisekunden sich um ca. 30 % zu
kontrahieren, wobei sie sich um das Doppelte verdicken. So können sie
eine Siebstruktur (s. Abb. 2) im Phloem bzw. im MEMS blockieren. Man
kann dies mit einem Wundverschluß beim Menschen vergleichen
(Embolie-Vermeidung). Diese ATP-unabhängige Konformationsänderung
kann durch einen Medienwechsel (Ca2+- bindendes EDTA) aufgehoben
werden und somit den Durchfluss durch die Siebstruktur wieder
ermöglichen. Es ist keine Hysterese zu beobachten. Ein pH-Wechsel kann
ebenfalls zu einer Kontraktion des Forisoms führen, nur beträgt dann diese
in Richtung der Längsachse nur wenige Prozent (Knoblauch et al., 2004).
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Bio-MEMS – Wie können Einzeller oder Motorproteine in technischen Systemen
„überleben“ ?
Abb. 2: links: Mikrofluid-System; Mitte: Ausschnitt eines fluidischen Schalters zur
Trennung biologischer Proben vom Mediumfluss; rechts: mögliches biogenes
Ventil.
Abb. 3: P-Protein (= Forisom) als Schalter in einem künstlichen Mikrofluidsystem.
In unterschiedlichen technischen Systemen wurden verschiedene
Aperturgrößen künstlicher Siebstrukturen, Substrate und Geometrien
erprobt. Da die biotechnologische in vitro Forisom-Produktion noch nicht
realisiert ist, wurden die bisherigen Untersuchungen zur Biokompatibilität
der Mikrofluidsystem-Struktur an Paramecium caudatum (Pantoffeltierchen), Euglena sp. (Augentierchen) und Rotatorien durchgeführt. Die
Protisten haben von den Forisomen abweichende Größen und können sich
aktiv fortbewegen, was einige technische Anpassungen erforderlich
gemacht hat (s. Abb. 4).
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Bio-MEMS – Wie können Einzeller oder Motorproteine in technischen Systemen
„überleben“ ?
Abb. 4: Paramecium caudatum in einem Mikrofluidsystem.
Aufgrund der großen Adhäsivität von Proteinen (so auch der P-Proteine)
an Materialoberflächen, wie Glas oder Silizium, muss das Einbringen eines
biologischen Objekts in ein technisches System am besten „on the flow“,
d.h. mit Hilfe eines Flüssigkeitstroms, zum gewünschten Zielort erfolgen.
Hiermit soll ein Anheften des Proteins an den Wänden der MikrofluidKanäle vermieden werden. Spezielle Kanaldesigns erlauben das Handling
des biologischen Objekts durch Phänomene der Turbulenz oder Reibung.
Ca2+
EDTA
a
b
Abb. 5: Konformationswechsel der Forisome a: EDTA-Medium; b: Ca2+-Medium;
beide am Ende einer Manipulatorspitze.
1.4
Ausblick
Eine potienzielle Anwendung in Verbindung mit der ionen-getriggerten
Schaltfunktion ergibt sich aus dem Verhalten der Forisomen gegenüber
Lösungen der Erdalkalimetall-Verbindungen (II Hauptgruppe des PSE).
Während Ca2+, Sr2+ und Ba2+ eine kontraktile Wirkung ausüben
(Knoblauch et al., 2003), löst jedoch Mg2+ keine nachweisbare Reaktion
aus. Systematische Untersuchungen zur Konformationsänderung durch
andere zwei- oder auch mehrwertige Kationen stehen jedoch noch aus.
So bietet sich an, ein solches System, evt. in Kaskadenschaltung, als
ionenselektiver Fluidschalter für die semi-quanitative Analytik bzw. in der
Trinkwasser-Überwachung z.B. als Wasserhärte-Sensor einzusetzen.
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Bio-MEMS – Wie können Einzeller oder Motorproteine in technischen Systemen
„überleben“ ?
Ein weiteres Konzept besteht in der Kopplung mit anderen mechanisch
funktionellen Makromolekülen, um diese mit Hilfe des Forisoms zu
positionieren oder auch als „Aktor- und Transmissions-Maschine“zu
betreiben, um die erzeugten Kräfte aus dem MEMS auszukoppeln.
Literatur:
Knoblauch M., Noll G.A., Müller T., Prüfer D., Schneider-Hüther I., Scharner D.,
Van Bel A.J.E., and Peters W.S. (2003): ATP-independent contractile proteins from
plants. Nature Materials 2: 600-603.
Knoblauch M. and Prüfer D. (2004): Forisomen, Verfahren zu ihrer Isolierung und
ihre Verwendung als molekulare Arbeitsmaschine. Patentnr. DE 102 41 681 A1, 1-16.
Germany.
Mavroidis C. and Dubey A. (2003): From pulses to motors. Nature Materials 2:573574.
Routledge L.M. (1978): Calcium-binding proteins in the vorticellid spasmoneme.
The Journal of Cell Biology 77:358-370.
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