Druckbare Biosensoren

Druckbare Biosensoren basierend auf Aptamer-Technologie für die breite Anwendung

Agarose-gel und Auswertung per Inkjet-gedruckte Quadrate aus DNA zu finden im Abschlussbericht.

Laufzeit: 11.2017 – 4.2019

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Projektteam:

Prof. Dr. Beatrix Süß | Dr. Florian Groher | Jeannine Schneider, M. Sc.
FB 10, Synthetische Genetische Schaltkreise

Prof. Dr. Edgar Dörsam | Dr.-Ing Dieter Spiehl | Jacqueline Balles, M. Sc.
FB 16, Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren

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Projektbeschreibung:

Im Rahmen des FiF-geförderten Projekts „Druckbare Biosensoren basierend auf Aptamer-Technologie für die breite Anwendung“ konnten erste Erfolge, in Form eines inkjetgedruckten Biosensors für den Nachweis des Fluorchinolons Ciprofloxacin (CFX), erzielt werden.

Antibiotikakontaminationen spielen in der Landwirtschaft eine große Rolle. Aus diesem Grund ist es wichtig Nachweissysteme zu entwickeln, die in der Lage sind Antibiotika zuverlässig, schnell und effizient nachweisen. Darüber hinaus sollte die Herstellung dieser Nachweissysteme kostengünstig sein. Ziel war es, ein biologisches, druckbares Nachweissystem (Biosensor) auf Aptamer-Basis zu entwickeln. Als Aptamere werden kurze, einzelsträngige Nukleinsäuren bezeichnet, die auf Grund ihrer komplexen Struktur in der Lage sind einen Liganden hochaffin und spezifisch zu binden.

Zu Beginn des Projekts startete die AG Dörsam (FB16, Maschinenbau) mit einer ausführlichen Analyse und Auswahl möglicher Trägermaterialien für den Biosensor anhand geeigneter Nukleinsäuren. Anschließend folgten erste Druckvorversuche zu Nukleinsäuren. Diese zeigten, dass Inkjetdruck diese nicht beschädigt. Als geeignetes Trägermaterial zur Aufnahme, Lagerung und zum späteren Auslesen wurde das Filterpapier Whatman Grade 1 identifiziert. Die Ergebnisse wurden im März 2019 im Journal of Print and Media Technology Research (doi: 10.14622/JPMTR-1821) veröffentlicht. Parallel zu den Versuchen zu Trägermaterial und Druckbarkeit wurden in der AG Süß (FB10, Biologie) Aptamere synthetisiert sowie charakterisiert. Bei einem dieser Aptamere handelte es sich um das CFX-bindende RNA-Aptamer. Neben Strukturanalysen mitteln in-line Probing wurden auch Fluoreszenztitrationen mit weiteren Fluorchinolone durchgeführt um die Bindespezifität des Aptamers genauer zu untersuchen. Um ein mögliches Minimalmotiv, eine verkürzte Variante des Aptamers R10K6, zu erhalten, wurden an der Grundvariante verschiedene Mutationen und/oder Deletionen durchgeführt und anschließend deren Bindeeigenschaften gegenüber CFX mittels Fluoreszenztitration untersucht. Auf diese Weise war es uns möglich R10K6_V11 als Minimalmotiv zu detektieren. Der Aufbau des Nachweissystems erfolgte anschließend auf Basis von R10K6_V11.

Aufbauend auf den zuvor gewonnenen Ergebnissen wurde ein Biosensor zur CFX-Detektion gedruckt, welcher Fluoreszenz als Nachweismethode nutzt. Diese Fluoreszenz basiert hierbei auf der Eigenfluoreszenz des verwendeten Fluorchinolons CFX. Nach der Optimierung der einzelnen Druckparameter wurde die Lagerfähigkeit des Biosensors bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen getestet, wobei er sich äußerst robust gezeigt hat. Die Ergebnisse wurden im Januar 2019 im Journal Biosensors (doi: 10.3390/bios9010007) veröffentlicht.

Neben denen im Projekt erreichten Ziele möchten wir auch über das FiF-Projekt hinaus die Zusammenarbeit fortsetzen und festigen. Hierfür möchten wir das Nachweissystem modularer gestalten, sowie eine Auswertung mit dem bloßen Auge und ohne die Zuhilfenahme technischer Geräte ermöglichen. Dieses Ziel möchten wir in Verbindung mit Goldnanopartikeln, die einen sichtbaren Farbumschlag zeigen, verwirklichen. Ein Aptamer-basiertes Nachweissystem für Antibiotika, welches ohne technische Geräte ausgewertet werden kann sowie zudem noch effizient, kostengünstig und schnell funktioniert wäre in der Lebensmittelkontrolle ein großer Schritt nach vorn.

In Zukunft soll die Kooperation bestehen bleiben und an einem universellen Detektorsystem gearbeitet werden, welches über einen Farbumschlag von Gold-Nanopartikeln visuell auslesbar ist.

TUbiblio:

DNA and DNA staining as a test system for the development of an aptamer-based biosensor for sensing of antibiotics

A test system for the printing of functional nucleic acids onto different carriers and verification of its functionality by DNA dyes

Characterization and Inkjet Printing of an RNA Aptamer for Paper-Based Biosensing of Ciprofloxacin.

Druckbare Biosensoren – Ein RNA basiertes Nachweissystem auf Papier. (Poster)