DE102006057975B4 - Method and device for detecting microorganisms and / or their activity - Google Patents
Method and device for detecting microorganisms and / or their activity Download PDFInfo
- Publication number
- DE102006057975B4 DE102006057975B4 DE102006057975A DE102006057975A DE102006057975B4 DE 102006057975 B4 DE102006057975 B4 DE 102006057975B4 DE 102006057975 A DE102006057975 A DE 102006057975A DE 102006057975 A DE102006057975 A DE 102006057975A DE 102006057975 B4 DE102006057975 B4 DE 102006057975B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- receptors
- receptor
- substrate
- ligands
- binding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/569—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for microorganisms, e.g. protozoa, bacteria, viruses
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
- Virology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Verfahren zur Detektion von Mikroorganismen und/oder deren Aktivität mit Biosensoren, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Oberfläche eines Substrates bereichsweise wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors oder mindestens ein Rezeptor für einen Liganden oder wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors und mindestens ein Rezeptor für entweder den oder einen weiteren Liganden chemisch, physikalisch oder biologisch immobilisiert wird, wobei die Liganden und die Rezeptoren Komponenten des Quorum-Sensing-Systems von Mikroorganismen sind, wobei als Liganden Signalmoleküle und als Rezeptoren entsprechende Rezeptoren für die Signalmoleküle genutzt werden und wobei einer der Liganden das Signalmolekül Autoinducer-2 (AI-2) oder ein anderes an einen Autoinducer-2-bindenden Rezeptor bindendes Molekül ist, und wobei durch Bindungen von Liganden, die von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing ausgesandt werden, an Rezeptoren hervorgerufene physikalische oder physikalisch-chemische Änderungen erfasst werden.Method for the detection of microorganisms and / or their activity with biosensors, characterized in that on a surface of a substrate partially at least one ligand for binding a receptor or at least one receptor for a ligand or at least one ligand for binding a receptor and at least one receptor for either the or another ligand is immobilized chemically, physically or biologically, wherein the ligands and the receptors are components of the quorum sensing system of microorganisms, being used as ligands signal molecules and receptor receptors corresponding to the signal molecules and wherein one of the ligands the signaling molecule is autoinducer-2 (AI-2) or another molecule that binds to an autoinducer-2 binding receptor, and wherein physical or physiological responses to receptors are caused by binding of ligands emitted by microorganisms in the process of quorum sensing Sch chemical changes are recorded.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Mikroorganismen und/oder deren momentanen Aktivitätszustand mittels auf Quorum Sensing-Komponenten basierender Biosensoren sowie Vorrichtungen als Biosensoren zur Durchführung des Verfahrens zur Anwendung z. B. in der Bio- und Umwelttechnologie sowie Medizintechnik.The The invention relates to a method for the detection of microorganisms and / or their current state of activity using quorum sensing components based biosensors and devices as biosensors to carry out the method of use z. B. in biotechnology and environmental technology as well as medical technology.
Bakterielle Kontaminationen in Trinkwasser oder bei biotechnologischen Produktionsprozessen, etwa bei der Hefefermentation oder in Zellkulturen, sind ein ernstes und oft gesundheitsbedrohliches Problem. Um geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten, ist die möglichst frühzeitige Detektion der Bakterien notwendig.bacterial Contaminations in drinking water or in biotechnological production processes, such as in yeast fermentation or in cell cultures, are a serious one and often a health-threatening problem. To take appropriate countermeasures is the most possible early Detection of bacteria necessary.
Die Steuerung der Aktivität von Mikroorganismen in biochemischen Verfahren zur Erzielung optimaler Ausbeuten verlangt Verfahren zur Erfassung des momentanen Zellzustandes.The Control of activity of microorganisms in biochemical processes to achieve optimal Yield requires methods for detecting the current cell state.
Mikrobiologische Analysen, das heißt Probennahme und Bestimmung der Keime durch Anzucht auf Selektivnährböden, weisen eine Reihe von Nachteilen auf: zum einen ist die Probennahme eine mögliche Kontaminationsquelle, zum anderen ist die Kultivierung und Analyse der Bakterien zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus gestattet die mikrobiologische Analyse die Detektion von biofilmbildenden Bakterien nur sehr eingeschränkt. Durch molekularbiologische Verfahren, etwa PCR-Analysen, lässt sich die Nachweiszeit zwar verkürzen, die Notwendigkeit einer Probennahme und der Isolation von DNA macht jedoch auch dieses Verfahren träge. Durch die Auswahl der Primer für die PCR-Reaktionen oder der Sonden bei Hybridisierungen nimmt man eine starke Einschränkung des zu detektierenden Spektrums an Bakterien in Kauf. Zudem ist mit diesen Verfahren keine Unterscheidung zwischen lebenden und toten Mikroorganismen möglich.Microbiological Analyzes, that is Sampling and determination of the germs by cultivation on selective nutrient media a number of disadvantages: on the one hand sampling is a potential source of contamination, on the other hand, the cultivation and analysis of the bacteria is time- and costly. About that In addition, the microbiological analysis allows the detection of biofilm-forming bacteria only very limited. By molecular biological Procedures, such as PCR analyzes, can be reduce the detection time, the need for sampling and DNA isolation however, this process is also sluggish. By the selection of primers for the PCR reactions or probes are used in hybridizations a strong limitation of the spectrum of bacteria to be detected in purchase. In addition is With these procedures no distinction between living and dead microorganisms possible.
Ehrlich et al. befassen sich mit der Möglichkeit der Entwicklung intelligenter Implantate und schlagen ein Modell eines Sensors vor, der die drohende Entstehung sogenannter Biofilme auf Implantaten frühzeitig durch die Detektion von Quorum-Sensing-Molekülen erkennt (Ehrlich et al. Engineering approaches for the detection and control of orthopaedic biofilm infections. Clin Orthop Relat Res. 2005 (437) 59–66). Der Nachweis des Moleküls RAP (ribonucleic acid (RNA)III-activating protein), eines von den Bakterienspezies Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis im Rahmen des speziesspezifischen Quorum sensing sezerniertes Peptids, soll mit Hilfe des entsprechenden Rezeptors TRAP (Target of RNAIII-activating protein) erfolgen.Honestly et al. deal with the possibility the development of intelligent implants and propose a model of a sensor that predicts the emergence of so-called biofilms on implants early by the detection of quorum-sensing molecules (Ehrlich et al. Engineering approaches for the detection and control of orthopedic biofilm infections. Clin Orthop Relat Res. 2005 (437) 59-66). Of the Detection of the molecule RAP (ribonucleic acid (RNA) III activating protein), one of the Bacterial species Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis in the context of the species-specific quorum sensing secreted peptide, should with the help of the corresponding receptor TRAP (Target of RNAIII-activating protein).
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Mittel zur Detektion von Mikroorganismen und/oder deren Aktivität anzugeben, die den schnellen und frühzeitigen Nachweis von Mikroorganismen ermöglichen.task The invention is methods and means for the detection of microorganisms and / or their activity indicate the rapid and early detection of microorganisms enable.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19.The Task is solved by a method having the features of claim 1 and by a device with the features of claim 19.
Die Verfahren und Vorrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein schneller und frühzeitiger Nachweis sowohl einer großen Bandbreite als auch einer ganz bestimmten Bakterienspezies und/oder deren Aktivität möglich ist.The Methods and devices are characterized in particular by that a faster and earlier Proof of both a wide range as well as a very specific bacterial species and / or their activity is possible.
Dazu wird an einer Oberfläche eines Substrates bereichsweise wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors oder mindestens ein Rezeptor für einen Liganden oder wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors und mindestens ein Rezeptor für entweder den oder einen weiteren Liganden chemisch, physikalisch oder biologisch immobilisiert, wobei durch Bindungen von Liganden, die von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing ausgesandt werden, an Rezeptoren hervorgerufene physikalische oder physikalisch-chemische Änderungen messbar sind.To becomes on a surface a substrate partially at least one ligand for binding a receptor or at least one receptor for a ligand or at least a ligand for binding a receptor and at least one receptor for either the or another ligand chemical, physical or biological immobilized by ligands bound by microorganisms emitted in the process of quorum sensing, at receptors physical or physical-chemical changes are measurable.
Dazu ist an einer Oberfläche eines Substrates bereichsweise wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors oder mindestens ein Rezeptor für einen Liganden oder wenigstens ein Ligand zur Bindung eines Rezeptors und mindestens ein Rezeptor für entweder das oder einen weiteren Liganden chemisch, physikalisch oder biologisch immobilisiert, wobei durch Bindungen zwischen Liganden, die von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing ausgesandt werden, und Rezeptoren hervorgerufene physikalische oder physikalisch-chemische Änderungen messbar sind.To is on a surface a substrate partially at least one ligand for binding a receptor or at least one receptor for a ligand or at least one Ligand for binding a receptor and at least one receptor for either the or another ligand chemical, physical or biological immobilized, whereby by bonds between ligands, by microorganisms in the process of quorum sensing, and receptors caused physical or physical-chemical changes are measurable.
Grundlage der Erfindung ist es, die Kommunikation zwischen Mikroorganismen für physikalische oder physikalisch-technische Prozesse zu nutzen.basis The invention is the communication between microorganisms for physical or to use physical-technical processes.
Quorum Sensing ist eine Bezeichnung für die Kommunikation zwischen Mikroorganismen mittels kleiner hormonähnlicher Signalmoleküle, so genannter Autoinducer, als Liganden und Rezeptoren. Dieser Prozess spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Zelldichte, was Bakterienpopulationen erlaubt, sich ähnlich wie mehrzellige Organismen zu verhalten und dadurch von Vorteilen zu profitieren. Zu den durch Quorum Sensing regulierten Verhaltensweisen gehören unter anderem die Produktion von Antibiotika, Symbiose, Konjugation, Virulenz, Bildung von Biofilmen sowie die Biolumineszenz einiger Vibrio-Spezies.quorum Sensing is a name for the communication between microorganisms by means of small hormone-like Signaling molecules, so-called autoinducer, as ligands and receptors. This process plays a crucial role in the regulation of cell density, which allows bacterial populations to be similar to multicellular organisms to behave and thereby benefit from advantages. To the through Quorum sensing regulated behaviors include production of antibiotics, symbiosis, conjugation, virulence, formation of biofilms as well as the bioluminescence of some Vibrio species.
Die als Autoinducer bezeichneten Signalmoleküle werden von bestimmten Bakterien mit Hilfe bestimmter Gene produziert und in das umliegende Kulturmedium abgegeben. Bakterien besitzen ein passendes Rezeptorsystem für diese Liganden. Nach Erreichen einer gewissen Konzentration an Signalmolekülen im Medium kommt es zur Bindung des Autoinducer-Signalmoleküls an den Rezeptor. Der Rezeptor-Autoinducer-Komplex leitet die Information in das Zellinnere und aktiviert dadurch die Transkription bestimmter Gene.The signal molecules called autoinducers are made by certain bacteria produced with the help of certain genes and into the surrounding culture medium issued. Bacteria have a suitable receptor system for them Ligands. After reaching a certain concentration of signal molecules in the medium it comes to the binding of the autoinducer signaling molecule to the receptor. The receptor autoinducer complex directs the information into the cell interior and activates the Transcription of certain genes.
Es gibt verschiedene Klassen von Autoinducern. Meist sind diese speziesspezifisch, d. h. verschiedene Bakterienarten produzieren verschiedene Signalmoleküle zur Kommunikation innerhalb der eigenen Bakterienspezies. Der Autoinducer-2 (im Folgenden auch AI-2 genannt) ermöglicht beispielsweise die Kommunikation zwischen verschiedenen Bakterienspezies (Interspezies-Kommunikation) und stellt somit ein universelles Signalmolekül in der Kommunikation zwischen Mikroorganismen dar.It are different classes of autoinducers. Most of these are species-specific, d. H. Different types of bacteria produce different signal molecules for communication within one's own bacterial species. The Autoinducer-2 (below also called AI-2) for example, the communication between different bacterial species (Interspecies communication) and thus represents a universal signaling molecule in communication between microorganisms.
Mehr als 30 verschiedene, mehrheitlich Gram-negative Baktereinarten, darunter Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Salmonella paratyphi, Helicobacter pylori, Vibrio cholerae, Shigella flexneri, Staphylococcus aureus, produzieren das Signalmolekül Autoinducer-2 mit Hilfe eines bestimmten Gens (LuxS bzw. Homologe), sezernieren es in das Kulturmedium und besitzen ein passendes intrazelluläres Rezeptorsystem (Schauder, S., Shokat, K., Surette, M. G. and Bassler, B. L. (2001) The LuxS-family of bacterial autoinducers: Biosynthesis of a novel quorum sensing signal molecule. Mol. Microbiol. 41: 463–476; Schauder, S. and Bassler, B. L. (2001) The languages of bacteria. Genes Dev. 15: 1468–1480; Sperandio, V., Torres, A. G. and Kaper, J. B. (2002) Quorum sensing Escherichia coli regulators B and C (QseBC): a novel two-component regulatory system involved in the regulation of flagella and motility by quorum sensing in E. coli. Mol. Microbiol. 43: 809–821.)More than 30 different, mostly gram-negative, sorts of bacteria, including Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Salmonella paratyphi, Helicobacter pylori, Vibrio cholerae, Shigella flexneri, Staphylococcus aureus, produce the signaling molecule Autoinducer-2 with the help of a specific gene (LuxS or homologue), secrete it into the culture medium and have a suitable intracellular receptor system (Schauder, S., Shokat, K., Surette, M.G. and Bassler, B.L. (2001) The LuxS family of bacterial autoinducers: Biosynthesis of a novel quorum sensing signal molecule. Mol. Microbiol. 41: 463-476; Schauder, S. and Bassler, B.L. (2001) The languages of bacteria. Genes Dev. 15: 1468-1480; Sperandio, V., Torres, A.G. and Kaper, J.B. (2002) Quorum sensing Escherichia coli regulators B and C (QseBC): a novel two-component regulatory system involved in the regulation of flagella and motility by quorum sensing in E. coli. Mol. Microbiol. 43: 809-821.)
Diese besondere Form des Quorum Sensing gestattet den Bakterien eine Kommunikation zwischen verschiedenen Arten. Anders als beim herkömmlichen Quorum Sensing produzieren verschiedene Bakterienarten ein gleichartiges Signal. Als Rezeptoren agieren Proteine des LuxP-Typs. LuxP liegt als lösliches Protein im periplasmatischen Raum vor und bindet AI-2. Der Komplex aus LuxP und AI-2 vermittelt über ein Zwei-Komponenten-System ein Signal ins Zellinnere.These special form of quorum sensing allows the bacteria to communicate between different species. Unlike the conventional one Quorum Sensing produces different types of bacteria a similar Signal. The receptors are proteins of the LuxP type. LuxP is as soluble Protein in the periplasmic space and binds AI-2. The complex from LuxP and AI-2 mediated over a two-component system sends a signal to the cell interior.
Erfindungsgemäß werden zum Nachweis von Mikroorganismen die Liganden, die von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing sezerniert werden, durch physikalische oder physikalisch-chemische Methoden detektiert.According to the invention for the detection of microorganisms the ligands produced by microorganisms be secreted in the process of quorum sensing, by physical or physical-chemical methods detected.
Dazu werden die Komponenten (Rezeptor oder Ligand) des bakteriellen Quorum Sensing-Systems zur Funktionalisierung von Oberflächen von Substraten eingesetzt. Derartige Oberflächen können auch gleichzeitig die Oberflächen von Sensoren sein, so dass sich wesentlich vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben. Quorum Sensing ist auch für Eukaryonten, wie zum Beispiel Hefen beschrieben, wobei die grundlegenden Mechanismen zum Teil noch unklar sind. Aber auch hier ist eine entsprechende Nutzung von Rezeptor und Ligand des Quorum Sensing-Systems möglich.To become the components (receptor or ligand) of the bacterial quorum Sensing Systems used for the functionalization of surfaces of substrates. Such surfaces can also the surfaces at the same time be of sensors, so that significantly advantageous embodiments result. Quorum sensing is also for eukaryotes, such as Yeasts are described, with some of the basic mechanisms still unclear. But here is a corresponding use receptor and ligand of the quorum sensing system possible.
Zur Funktionalisierung der Oberfläche des Substrates werden als Liganden Signalmoleküle wie speziesspezifische Autoinducer, zum Beispiel Autoinducer-1, oder Autoinducer der Inter-Spezies-Kommunikation sowie entsprechende Rezeptoren genutzt. Dabei ist einer der Liganden das Signalmolekül Autoinducer-2 (AI-2) oder ein anderes an einen Autoinducer-2-(AI-2)-Rezeptor bindendes Molekül.to Functionalization of the surface of the substrate are ligands signal molecules such as species-specific autoinducer, for example, autoinducer-1, or autoinducer of interspecies communication and corresponding receptors used. It is one of the ligands the signaling molecule autoinducer-2 (AI-2) or another autoinducer-2 (AI-2) receptor binding molecule.
Bei den Signalmolekülen kann es sich zum einen um die authentischen, vom jeweiligen Organismus abgegebenen Moleküle handeln, die entweder direkt durch den Mikroorganismus selbst gebildet werden oder aber heterolog durch einen Wirtsorganismus exprimiert werden oder aber chemisch synthetisiert werden. Es kann sich auch um jegliche andere Art eines biologisch und/oder chemisch hergestellten Moleküls handeln, welches mit einem entsprechenden Quorum Sensing-Rezeptor oder einem Derivat eines Quorum Sensing-Rezeptors interagieren kann.at the signaling molecules On the one hand, it can be about the authentic, of the particular organism delivered molecules which are either formed directly by the microorganism itself or heterologously expressed by a host organism or chemically synthesized. It can also be about any other type of biologically and / or chemically synthesized molecule, which with a corresponding quorum sensing receptor or a derivative a quorum sensing receptor can interact.
Beispiele für speziesspezifische Autoinducer bzw. ihre jeweiligen Rezeptoren basieren bei Gram-negativen Bakterien auf dem LuxI/LuxR-System (Swift, S., Karlyshev, A. V., Fish, L., Durant, E. L., Winson, M. K., Chhabra, S. R., Williams, P., Macintyre, S. and Stewart, G.S.A.B. (1997) Quorum Sensing in Aeromonas hydrophila and Aeromonas salmonicida: Identification of the LuxRI homologs AhyRI and AsaRI and their cognate N-acylhomoserine lactone signal molecules. J. Bacteriol. 179: 5271–5281). Hierbei bezeichnet LuxI die Autoinducer Synthase und LuxR den Autoinducer-Rezeptor. Die Autoinducer-1 werden hierbei aus acylierten Homoserin-Lactonen (AHL) gebildet. Für die Bildung ist LuxI entscheidend. Die gebildeten Autoinducer unterscheiden sich vor allem in der Länge ihrer Acylketten und/oder deren Sättigungsgrad. Die hochspezifische Erkennung der jeweiligen Autoinducer-1 wird durch einen entsprechenden Rezeptor sichergestellt. Bisher sind bei über 50 Spezies entsprechende Quorum Sensing-Systeme identifiziert (DeLisa, M. P. and Bentley, E. B. (2002) Bacterial autoinduction: looking outside the cell for new metabolic engineering targets. Microb. Cell Fact. 1:5). Jeder der entsprechenden Rezeptoren oder Autoinducer-1 oder entsprechende Derivate von Rezeptor oder Autoinducer sind für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.Examples of species-specific autoinducers and their respective receptors are based on Gram-negative bacteria on the LuxI / LuxR system (Swift, S., Karlyshev, AV, Fish, L., Durant, EL, Winson, MK, Chhabra, SR, Williams , P., Macintyre, S. and Stewart, GSAB (1997) Quorum Sensing in Aeromonas hydrophila and Aeromonas salmonicida: Identification of the LuxRI homologs AhyRI and AsaRI and their cognate N-acylhomoserine lactone signal molecules J. Bacteriol 179: 5271- 5281). LuxI refers to autoinducer synthase and LuxR refers to the autoinducer receptor. The autoinducer-1 are formed from acylated homoserine lactones (AHL). LuxI is crucial for education. The autoinducer formed differ mainly in the length of their acyl chains and / or their degree of saturation. The highly specific recognition of the respective autoinducer-1 is ensured by a corresponding receptor. So far, quorum sensing systems have been identified in over 50 species (DeLisa, MP and Bentley, EB (2002) Bacterial autoinduction: looking outside the cell for new metabolic engineering targets, Microb Cell Fact 1: 5). Any of the corresponding receptors or autoinducer-1 or corresponding derivatives of receptor or autoinducer are suitable for the method of the invention.
In Gram-positiven Bakterien werden statt AHL posttranslational prozessierte Peptid-Signalmoleküle als Autoinducer genutzt (de Kievit, T. R. and Iglewski, B. H. (2000) Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immun. 68: 4839–4849; Winans, S. C. and Bassler, B. L. (2002) Mob Psychology. J. Bacteriol. 184: 873–883). Als Rezeptor fungiert eine membranständige Histidin-Kinase eines Zweikomponenten-Signalsystems.In Gram-positive bacteria are processed post-translationally instead of AHL Peptide signaling molecules as autoinducer used (de Kievit, T.R. and Iglewski, B.H. (2000) Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immune. 68: 4839-4849; Winans, S.C. and Bassler, B.L. (2002) Mob Psychology. J. Bacteriol. 184: 873-883). The receptor is a membrane-bound histidine kinase of a Two-component signaling system.
Auch Komponenten dieses Systems können erfindungsgemäß eingesetzt werden. Als Beispiel sei die Signaltransduktion bei Staphylococcus aureus genannt (de Kievit, T. R. and Iglewski, B. H. (2000) Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immun. 68: 4839– 4849; Winans, S. C. and Bassler, B. L. (2002) Mob Psychology. J. Bacteriol. 184: 873–883). Das Signalpeptid wird aus dem Vorläuferpeptid des agrD Genproduktes prozessiert. Als Rezeptor fungiert das membranständige AgrC-Protein.Also Components of this system can be used according to the invention become. As an example, the signal transduction in Staphylococcus aureus (de Kievit, T.R. and Iglewski, B.H. (2000) Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immune. 68: 4839-4849; Winans, S.C. and Bassler, B.L. (2002) Mob Psychology. J. Bacteriol. 184: 873-883). The signal peptide becomes the precursor peptide of the agrD gene product processed. The receptor is the membrane-bound AgrC protein.
Erfindungsgemäß ist die Verwendung von AI-2 oder von einem anderen an einen AI-2-Rezeptor bindenden Molekül oder die Verwendung des LuxP-Rezeptors oder dessen Homologer, wie zum Beispiel des LuxP-Rezeptors aus Vibrio harveyi, vorteilhaft. Durch die Verwendung der Quorum Sensing-Komponenten der Interspezies-Kommunikation von Mikroorganismen ist eine gleichzeitige Detektion vieler verschiedener Bakterienspezies möglich.According to the invention Use of AI-2 or another binding to an AI-2 receptor molecule or the use of the LuxP receptor or its homologs, such as for example, the LuxP receptor from Vibrio harveyi, beneficial. By using the quorum sensing components of the interspecies communication of Microorganisms is a simultaneous detection of many different Bacterial species possible.
Werden zusätzlich zu dem Signalmolekül AI-2 bzw. dem an einen AI-2-bindenden Rezeptor bindenden Molekül speziesspezifische Liganden oder die entsprechenden Rezeptoren eingesetzt, eignet sich das Nachweissystem beispielsweise auch für das selektive Monitoring bestimmter pathogener Mikroorganismen und deren Aktivität im medizinischen, pharmazeutischen und lebensmittelchemischen Bereich.Become additionally to the signal molecule AI-2 or the molecule binding to an AI-2 binding receptor species-specific Ligands or the corresponding receptors used is suitable the detection system, for example, also for selective monitoring certain pathogenic microorganisms and their activity in the medical, pharmaceutical and food-chemical sector.
Die zur Funktionalisierung der Sensoroberfläche eingesetzten Rezeptoren des Quorum Sensing-Systems werden vorzugsweise durch rekombinante Proteinsynthese in Mikroorganismen wie beispielsweise Escherichia coli hergestellt. Hierfür werden die entsprechenden Gene von z. B. genomischer DNA oder c-DNA PCR-amplifiziert, als synthetische Gene hergestellt oder entsprechende Fusionsgene mittels geeigneter rekombinanter DNA-Techniken hergestellt und in geeignete Expressionsvektoren, zum Beispiel pET-23, Novagen, kloniert und gegebenenfalls mit einem Protein-Tag zur Aufreinigung oder gegebenenfalls Anbindung versehen. Nach Expression der Proteine erfolgt die Aufreinigung der Proteine, zum Beispiel mittels Affinitätschromatografie über Ni-NTA-Säulen (Qiagen). Alternativ können auch andere Expressionssysteme oder Wirtsorganismen wie zum Beispiel Hefen genutzt werden.The for the functionalization of the sensor surface used receptors of the quorum sensing system are preferably recombinant Protein synthesis in microorganisms such as Escherichia coli. Therefor are the corresponding genes of z. Genomic DNA or c-DNA PCR amplified, prepared as synthetic genes or equivalent Fusion genes produced by suitable recombinant DNA techniques and into suitable expression vectors, for example pET-23, Novagen, cloned and optionally with a protein tag for purification or optionally provided connection. After expression of the proteins the purification of the proteins takes place, for example by means of affinity chromatography on Ni-NTA columns (Qiagen). Alternatively, too other expression systems or host organisms such as Yeasts are used.
Zur Immobilisierung wird der Rezeptor über einen geeigneten Linker auf die Substratoberfläche gebunden. Die Immobilisierung auf der Substratoberfläche erfolgt so, dass die Funktionalität des Rezeptors nicht beeinträchtigt wird. Die Anbindung der Rezeptorproteine erfolgt vorzugsweise über dem Fachmann bekannte Methoden zur Bindung von Proteinen an Substratoberflächen wie z. B. in Cao, L. Curr Opin Chem Biol. 2005 Apr; 9(2):217–26 zusammengefasst.to Immobilization is the receptor via a suitable linker bound to the substrate surface. The immobilization on the substrate surface is done so that the functionality of the receptor not impaired becomes. The binding of the receptor proteins preferably takes place via the Known methods for binding proteins to substrate surfaces such as z. In Cao, L. Curr Opin Chem Biol. 2005 Apr; 9 (2): 217-26.
Geeignete Anbindungsmöglichkeiten bieten zum Beispiel die im Folgenden dargestellten Reaktionswege: Bei einer Oberfläche des Substrates aus Gold wird der Linker über ein Thiol an die Goldoberfläche gebunden, zum Beispiel 11-Mercaptoundecansäure, und geht über eine durch N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC) und N-Hydroxysulfosuccinimide (NHS) aktivierte Carboxylgruppe eine Amidbindung mit primären Aminen des Proteins ein. Bei Substraten mit Metalloxid-Oberflächen wird das Protein über ein Epoxidgruppen präsentierendes Silan, z. B. 3-Glycidyloxypropyl-Trimethoxysilan, an die Substratoberfläche gebunden, das mit den primären Aminen des Proteins sekundäre Aminbindungen ausbildet.suitable connectivity offer, for example, the following reaction pathways: At a surface of the gold substrate, the linker is attached to the gold surface via a thiol, for example, 11-mercaptoundecanoic acid, and goes over one by N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide (EDC) and N-hydroxysulfosuccinimides (NHS) activated carboxyl group has an amide bond with primary amines of the protein. For substrates with metal oxide surfaces, the Protein over an epoxy group-presenting silane, z. B. 3-glycidyloxypropyl-trimethoxysilane, bound to the substrate surface, that with the primary Amines of the protein secondary Forms amine bonds.
Die zur Funktionalisierung der Substratoberfläche eingesetzten Signalmoleküle werden chemisch synthetisiert, vorzugsweise nach Semmelhack MF, Campagna SR, Federle MJ, Bassler BL. „An expeditious synthesis of DPD and boron binding studies", Org Lett. 2005 Feb 17; 7(4):569–72.The be used for functionalization of the substrate surface signal molecules chemically synthesized, preferably according to Semmelhack MF, Campagna SR, Federle MJ, Bassler BL. "At expeditious synthesis of DPD and boron binding studies ", Org. Lett. 2005 Feb 17; 7 (4): 569-72.
Zur Immobilisierung der chemisch synthetisierten Signalmoleküle wird das Autoinducermolekül beispielsweise über einen homobifunktionalen Crosslinker, z. B. 1,4 Butandiol-diglycidylether, an das Substrat gebunden, der mit Hydroxylgruppen des Autoinducers Etherbindungen eingeht. Die Bindung an die Oberfläche des Substrates erfolgt durch die Bindung des Crosslinkers an Aminogruppen präsentierende Schichten auf den Substraten, Cystamin-Monolayer bei Goldoberflächen oder Aminosilane oder Aminoterpolymere bei Oxidoberflächen. Das Autoinducermolekül kann auch mit EDC/NHS-aktivierter 11-Mercaptoundecansäure an die Goldoberfläche der Substrate gebunden werden.To immobilize the chemically synthesized signal molecules, the autoinducer molecule is, for example, via a homobifunctional crosslinker, z. B. 1,4-butanediol diglycidyl ether, bound to the substrate which undergoes ether bonding with hydroxyl groups of the autoinducer. The bond to the surface of the substrate is carried out by the binding of the crosslinker to amino groups on the substrates, cystamine monolayer on gold surfaces or aminosilanes or amino polymers on oxide surfaces. The autoinducer molecule can also be bound to the gold surface of the substrates with EDC / NHS-activated 11-mercaptoundecanoic acid.
Um eine unspezifische Anbindung von Molekülen an die Substratoberfläche zu verhindern, wird gleichzeitig mit dem Protein oder dem Autoinducer ein Antifoulingmolekül, zum Beispiel Hexaethylenglycol, an die Substratoberfläche gebunden. Das Antifoulingmolekül blockiert die nicht von dem Protein oder Autoinducer besetzten Oberflächenbereiche durch seine speziellen freien Endgruppen derart, dass dort keine weiteren Moleküle anbinden können.Around to prevent non-specific binding of molecules to the substrate surface, becomes an antifouling molecule simultaneously with the protein or autoinducer, for example Hexaethylene glycol, bound to the substrate surface. The antifouling molecule blocks the surface areas not occupied by the protein or autoinducer his special free end groups so that there are no further ones molecules can connect.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 18 und 20 bis 26 angegeben.advantageous Embodiments of the invention are in the claims 2 to 18 and 20-26.
An einer Oberfläche eines Substrates wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 bereichsweise wenigstens ein Ligand gebunden, werden Rezeptoren an Liganden gebunden und Rezeptoren binden von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing abgegebene und/oder bereits im Medium vorhandene Liganden. Dabei werden Rezeptoren mit Liganden des Mediums abgelöst. Diese Ablösung wird messtechnisch durch die dadurch hervorgerufenen Änderungen der Ladung, der Masse, der optischen Eigenschaften, der magnetischen Eigenschaften, der Konformation oder der enzymatischen Aktivität erfasst.At a surface a substrate is according to the embodiment of the claim 2 partially bound at least one ligand become receptors bound to ligands and bind receptors of microorganisms in the Process of quorum sensing issued and / or already in the medium existing ligands. These are receptors with ligands of the medium replaced. This replacement is metrologically by the changes caused thereby of charge, mass, optical properties, magnetic Characteristics, conformation or enzymatic activity.
An einer Oberfläche eines Substrates werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 bereichsweise wenigstens Rezeptoren gebunden und von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing abgegebene und/oder bereits im Medium vorhandene Signalmoleküle des Mediums an Rezeptoren gebunden, wobei eine physikochemische Änderung erfolgt, so dass messtechnisch die dadurch hervorgerufenen Änderungen der Ladung, der Masse, der Konformation, der optischen Eigenschaften, der magnetischen Eigenschaften, der Ladungsverteilung oder der enzymatischen Aktivität erfasst werden.At a surface of a substrate are according to the embodiment of the claim 3 partially bound at least receptors and of microorganisms in the process of quorum sensing and / or already existing in the medium signaling molecules of the medium bound to receptors, with a physicochemical change done so that metrologically the changes caused thereby the charge, the mass, the conformation, the optical properties, the magnetic properties, the charge distribution or the enzymatic activity be recorded.
Bei der Änderung der optischen Eigenschaften können auch Farbstoffe gekoppelt werden.at the change of the optical properties Also dyes are coupled.
Der Biosensor wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 vorteilhafterweise durch Anlagerung von Partikeln, z. B. von Partikeln definierter Masse, an die Liganden oder Rezeptoren geeicht. Vorzugsweise sind die Partikel definierter Masse Metallcluster, insbesondere Goldcluster. Eine Eichung kann auch durch vorgegebene Partikelkonzentrationen gleicher oder verschiedener Partikelarten erfolgen, z. B. durch Zugabe definierter Mengen von AI-2.Of the Biosensor is advantageously according to the embodiment of claim 4 by addition of particles, for. B. of particles of defined mass, calibrated to the ligands or receptors. Preferably, the particles defined mass metal clusters, especially gold clusters. A Calibration can also by predetermined particle concentrations of the same or different types of particles, for. B. defined by adding Quantities of AI-2.
Die Oberfläche des Substrates mit Signalmolekülen und damit gebundenen Rezeptoren nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 vorteilhafterweise durch eine wiederholte Beschichtung mit dem Rezeptor regeneriert.The surface of the substrate with signal molecules and thus bound receptors according to the embodiment of the claim 2 is advantageously according to the embodiment of claim 5 regenerated by a repeated coating with the receptor.
Zur Erhöhung der Sensitivität werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 zur Erzeugung von Fusionsproteinen mittels rekombinanter Techniken Aminosäuresequenzen von Rezeptoren so verändert, dass eine Veränderung von Ladung, Masse, Licht, Konformation oder enzymatischer Reaktion erfolgt, und/oder eine Veränderung von Ladung, Masse, Licht, Konformation oder enzymatischer Reaktion chemisch oder physikalisch erfolgt. So werden Fusionsproteine auf Basis von Quorum Sensing-Rezeptoren erzeugt, deren Eigenschaften mittels rekombinanter Techniken so verändert sind, dass die vom jeweils verwendeten Sensortyp detektierten Signale als Ladung, Masse, Konformation, Licht, magnetische Feldstärke, enzymatische Reaktion verändert werden. Das Fusionsmotiv führt zu einer messbaren Änderung der zu erfassenden Signale spezifisch für den jeweiligen physikalisch-chemischen Sensor.to increase the sensitivity are according to the embodiment of claim 6 for generation of fusion proteins by recombinant techniques amino acid sequences of Receptors so changed that a change of charge, mass, light, conformation or enzymatic reaction takes place, and / or a change of charge, mass, light, conformation or enzymatic reaction done chemically or physically. This is how fusion proteins become Base generated by quorum sensing receptors, their properties by means of Recombinant techniques changed so are that detected by the type of sensor used signals as charge, mass, conformation, light, magnetic field strength, enzymatic Reaction changed become. The merger motive leads to a measurable change the signals to be detected specific to the respective physicochemical Sensor.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 werden Rezeptoren mit der Fusion von geladenen Peptiden zu Fusionsproteinen mit geänderter Nettoladung verändert. Diese Weiterbildung ist besonders geeignet für Sensortypen, die auf der Ladungsänderung basieren. Die Fusion erfolgt vorzugsweise auf DNA-Ebene mittels geeigneter rekombinanter DNA-Techniken. Eine Ladungsveränderung kann auch chemisch erfolgen. Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 beinhalten die Peptide bei positiver Nettoladung vorzugsweise Arginin, Histidin oder Lysin und bei negativer Nettoladung Asparaginsäure oder Glutaminsäure.To the development of claim 7 receptors with the Fusion of charged peptides to fusion proteins with altered Net charge changed. This training is particularly suitable for sensor types used on the charge change based. The fusion preferably takes place at the DNA level by means of suitable recombinant DNA techniques. A charge change can also be done chemically. After the development of the claim 8 preferably contain the peptides at positive net charge Arginine, histidine or lysine and at negative net charge aspartic acid or Glutamic acid.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 werden Rezeptoren mit der Fusion von Proteinen oder Peptiden so verändert, dass die Masse des Fusionsproteins signifikant erhöht wird. Diese Weiterbildung ist besonders geeignet für Sensortypen, die auf der Erfassung von Masseänderungen basieren. Die Fusion erfolgt zum Beispiel mit der β-Galaktosidase aus E. coli. Die Fusion erfolgt vorzugsweise auf DNA-Ebene mittels geeigneter rekombinanter DNA-Techniken. Die Masseänderung kann auch anders, z. B. chemisch erfolgen. Z. B. kann eine Masseänderung über Biotinylierung erfolgen.To The development of claim 9 are receptors with the Fusion of proteins or peptides altered so that the mass of the fusion protein significantly increased becomes. This development is particularly suitable for sensor types, based on the detection of mass changes. The fusion takes place for example with the β-galactosidase from E. coli. The fusion is preferably carried out at the DNA level by means of suitable recombinant DNA techniques. The mass change can also be different, z. B. done chemically. For example, a mass change may be via biotinylation.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 werden Rezeptoren mit der Fusion von Proteinen oder Peptiden, die eine Eigenfluoreszenz aufweisen oder die enzymatisch durch Zugabe von geeigneten Substratmolekülen eine Lichtreaktion hervorrufen, verändert. Diese Weiterbildung ist besonders geeignet für Sensortypen, deren Messprinzip auf der Erfassung von qualitativen oder quantitativen Änderungen der Emission eingestrahlten Lichtes beruht. Die Fusion erfolgt z. B. mit Proteinen oder Peptiden, die eine Eigenfluoreszenz aufweisen, zum Beispiel Grün-Fluoreszierendes Protein oder dessen Derivate, oder die in der Lage sind, enzymatisch durch Zugabe von geeigneten Substratmolekülen eine Lichtreaktion hervorzurufen, z. B. Luciferase. Weiterhin können alle Enzymreaktionen genutzt werden, die messtechnisch zu verfolgen sind. Die Fusion erfolgt vorzugsweise auf DNA-Ebene mittels geeigneter rekombinanter DNA-Techniken. Die Fusionen können auch chemisch erfolgen.According to the embodiment of claim 10, receptors are associated with the fusion of proteins or peptides that have intrinsic fluorescence or which enzymatically cause a light reaction by addition of suitable substrate molecules. This development is particularly suitable for sensor types whose measuring principle is based on the detection of qualitative or quantitative changes in the emission of incident light. The fusion occurs z. Example, with proteins or peptides which have an intrinsic fluorescence, for example, green fluorescent protein or its derivatives, or which are capable of causing a light reaction enzymatically by the addition of suitable substrate molecules, for. B. luciferase. Furthermore, all enzyme reactions can be used, which are to be monitored metrologically. The fusion is preferably carried out at the DNA level by means of suitable recombinant DNA techniques. The mergers can also be chemical.
Während die genannten Modifikationen spezifisch für den jeweiligen Sensortyp sind, wird eine allgemeine Signalverstärkung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 erreicht, indem Rezeptoren in ihren Aminosäuresequenzen so verändert werden, dass die Affinität zwischen Signalmolekül und Rezeptor vergrößert oder verkleinert wird. Hierzu werden die für Bindung des Autoinducers wichtigen Aminosäuren gezielt durch geeignete DNA-Rekombinationstechniken (z. B. direkte Mutagenese mittels PCR) verändert.While the mentioned modifications specific to the respective sensor type are, a general signal amplification after the training of claim 11 achieved by adding receptors in their amino acid sequences to be changed that affinity between signal molecule and Receptor enlarged or is reduced. These are for binding the autoinducer important amino acids specifically by suitable recombinant DNA techniques (eg, direct mutagenesis by PCR).
Dabei können Rezeptoren in ihren Aminosäuresequenzen so verändert werden, dass die Bindungsaffinität zwischen Signalmolekül und Rezeptor für den jeweiligen Sensortypen optimiert wird. Dies kann durch Veränderung einzelner Aminosäuren des Rezeptors geschehen, die eine erhöhte bzw. erniedrigte Affinität der Bindung des Signalmoleküls bedingen. Ebenso sind ggf. Kombinationen mehrerer veränderter Aminosäuren anzuwenden.there can Receptors in their amino acid sequences so changed be that binding affinity between signaling molecule and receptor for the respective sensor types is optimized. This can be done through change individual amino acids of the receptor, which has an increased or decreased affinity of binding of the signaling molecule require. Likewise, combinations of several are possibly changed amino acids apply.
Es können auch Veränderungen vorgenommen werden, welche die sterische Ausrichtung des Rezeptors beeinflussen.It can also changes be made, indicating the steric orientation of the receptor influence.
Zum Nachweis einer geringen Anzahl von Signalmolekülen, die von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing ausgesandt werden, wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 mittels rekombinanter Techniken ein zusätzliches Protein an Rezeptoren angefügt, so dass Fusionsproteine erzeugt werden. Entweder die Fusionsproteine oder die Signalmoleküle werden über sensitiv gegenüber der enzymatischen Aktivität des Fusionsproteins wirkende Aminosäure- oder Nukleinsäuresequenzen oder Lipide an die Oberfläche des Substrates gebunden, so dass bei Freisetzung eines Rezeptorfusionsmoleküls die entsprechende Aktivität wirksam und eine sich selbst verstärkende Ablösung der Fusionsproteine oder der Signalmoleküle vom Substrat initiiert wird.To the Detection of a small number of signaling molecules by microorganisms will be sent out in the process of quorum sensing, after the training of claim 12 by recombinant techniques an additional Added protein to receptors, so that fusion proteins are generated. Either the fusion proteins or the signaling molecules be over sensitive to the enzymatic activity the fusion protein acting amino acid or nucleic acid sequences or Lipids to the surface bound the substrate, so that upon release of a receptor fusion molecule, the corresponding activity effective and self-enhancing detachment of the fusion proteins or the signal molecules initiated by the substrate.
Bei der Freisetzung eines Rezeptorfusionsproteins durch die Bindung an ein von Mikroorganismen sezerniertes Signalmolekül wird die entsprechende enzymatische Aktivität wirksam. Nach Ablösung von der Oberfläche des Substrates wirkt das freigesetzte Rezeptorfusionsprotein enzymatisch auf noch gebundene Rezeptormoleküle oder Signalmoleküle ein und löst diese von dieser Oberfläche ab. Ein einzelnes oder wenige Signalmoleküle führen so zur Auslösung einer sich selbst verstärkenden Kaskade von Ablösungen von der Oberfläche des Substrates. Auf diese Weise wird eine Erfassung von schwellenwertigen Prozessen durch das Einsetzen des Quorum Sensing möglich. Vorteilhafterweise weist das zusätzliche Protein nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 eine proteolytische oder nukleolytische oder lipolytische Funktion, z. B. eine Protease oder Restriktionsendonuclease oder Lipase, auf.at the release of a receptor fusion protein by the binding to a signal molecule secreted by microorganisms is the corresponding enzymatic activity is effective. After replacement of the surface of the substrate, the released receptor fusion protein acts enzymatically on still bound receptor molecules or signaling molecules and release these from this surface from. A single or a few signal molecules lead to the triggering of a self-reinforcing Cascade of detachments from the surface of the substrate. In this way, detection of threshold values becomes Processes through the use of quorum sensing possible. Advantageously the extra Protein according to the embodiment of claim 13 a proteolytic or nucleolytic or lipolytic function, e.g. A protease or restriction endonuclease or lipase.
Zur Erzeugung einer Signalkaskade erfolgt eine Fusion der Rezeptoren mit Proteinen oder Peptiden, die eine spezifische Nuklease- oder Proteaseaktivität aufweisen, z. B. eine Restriktionsendonuklease oder die TEV-Protease. Gleichzeitig erfolgt die Anbindung des Rezeptors oder des Signalmoleküls an die Oberfläche des Substrates über einen Linker, bestehend im ersten Falle aus doppelsträngiger DNA mit der Erkennungssequenz für die jeweilige Restriktionsendonuklease, oder im zweiten Fall aus einem Peptidlinker mit der Erkennungssequenz für die jeweilige Protease. Nach Ablösung des Fusionsproteins, bestehend aus Rezeptor und Endonuklease oder Protease, wirkt dieses auf die Substratgebundenen Linkersequenzen ein und amplifiziert somit das Signal. Die Fusion erfolgt vorzugsweise auf DNA-Ebene mittels geeigneter rekombinanter DNA-Techniken.to Generation of a signal cascade occurs a fusion of the receptors with proteins or peptides that have a specific nuclease or protease activity have, for. A restriction endonuclease or the TEV protease. At the same time, the binding of the receptor or the signal molecule to the surface of the substrate a linker, consisting in the first case of double-stranded DNA with the recognition sequence for the particular restriction endonuclease, or in the second case a peptide linker with the recognition sequence for the particular protease. To replacement the fusion protein consisting of receptor and endonuclease or protease, this acts on the substrate-bound linker sequences and thus amplifies the signal. The fusion is preferably on DNA level using appropriate recombinant DNA techniques.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 14 werden vorteilhafterweise an einer Oberfläche eines Substrates bereichsweise Signalmoleküle und daran mit Fluoreszenzmarkern versehene Rezeptoren gebunden.To The development of claim 14 are advantageously on a surface a substrate partially signal molecules and it with fluorescent markers attached receptors bound.
Dabei können nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 15 die Fluoreszenzmarker von einer Sorte oder von verschiedenen Sorten sein. Vorteilhafterweise sind auch mehrere Fluoreszenzmarker unterschiedlicher Fluoreszenz auf einer Oberfläche erfassbar.there can according to the embodiment of claim 15, the fluorescent marker be of one species or of different species. advantageously, are also several fluorescent markers of different fluorescence on a surface detectable.
Vorzugsweise werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 16 entweder Fluoreszenzproteine oder Quantum Dots eingesetzt.Preferably become after the development of claim 16 either fluorescent proteins or Quantum Dots.
Dadurch können unterschiedliche Mikroorganismen z. B. in Mischkulturen nachgewiesen werden. Die Anbindung der alternativen Fusionskonstrukte an den optischen Sensor erfolgt über das jeweils korrespondierende Signalmolekül. Abhängig vom jeweiligen Sensorprinzip erfolgt die Immobilisierung der spezifischen Autoinducer oder Rezeptoren lokal definiert oder undefiniert.This allows different microorganisms z. B. be detected in mixed cultures. The connection of the alternative fusion constructs to the optical sensor takes place via the respectively corresponding signal molecule. Dependent Depending on the particular sensor principle, the immobilization of the specific autoinducers or receptors is locally defined or undefined.
Auf diese Weise ist ein gleichzeitiger Nachweis von Quorum Sensing-Aktivitäten unterschiedlicher Mikroorganismen auf ein und derselben Sensorplattform möglich.On This way, simultaneous detection of quorum sensing activities is more diverse Microorganisms on one and the same sensor platform possible.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 17 ist das Signalmolekül ein Autoinducer-2 (AI-2) und/oder ein weiteres Signalmolekül oder wenigstens eine Kombination daraus.To the development of claim 17 is the signal molecule an autoinducer-2 (AI-2) and / or another signal molecule or at least one combination it.
Der Rezeptor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 18 entweder ein LuxP-Molekül oder ein gentechnisch erzeugtes Derivat.Of the Receptor is according to the embodiment of claim 18 either a LuxP molecule or a genetically engineered derivative.
Neben Änderungen, die am Rezeptor vorgenommen werden, kann auch das jeweilige Signalmolekül verändert werden, um den Nachweis abhängig vom jeweiligen Sensor zu optimieren. So kann z. B. für masseselektive Sensoren die Masse des Signalmoleküls vorzugsweise erhöht werden, indem chemisch Moleküle an das Signalmolekül gekoppelt werden. Für optische Sensoren können entsprechend Farbstoffe gekoppelt werden. Bei Ladungsdetektoren können Ladungen erzeugt oder verändert werden.In addition to changes, which are carried out at the receptor, also the respective signal molecule can be changed, to provide evidence depending on to optimize each sensor. So z. B. for mass-selective sensors the Mass of the signaling molecule preferably increased be by chemically molecules to the signaling molecule be coupled. For optical sensors can be coupled according to dyes. Charge detectors can charge created or changed become.
Auch kann die Bindungsaffinität zwischen Rezeptor und Signalmolekül über Modifikationen am Signalmolekül verändert werden. So können mit dem Rezeptor interagierende Gruppen modifiziert werden. Auch kann es im Falle des Einsatzes von AI-2 als Ligand sinnvoll sein, anstelle von Bor ein anderes Element in das Signalmolekül zu integrieren, um so die Bindungseigenschaften oder die sterische Ausrichtung des Rezeptors zu beeinflussen.Also can the binding affinity be changed between receptor and signal molecule via modifications to the signaling molecule. So can modified with the receptor interacting groups. Also may be useful in the case of using AI-2 as a ligand, instead of boron to integrate another element into the signaling molecule, the binding properties or the steric orientation of the To influence the receptor.
Das Substrat ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 20 vorteilhafterweise ein piezoelektrischer Wandler. Im piezoelektrischen Wandler wird der piezoelektrische Effekt zur Umwandlung von Kraft oder Druck in eine elektrische Spannung genutzt. Die auftretenden Ladungen sind der wirkenden Kraft proportional. Die Ladungen können als Spannung erfasst werden, so dass das Substrat selbst ein Massesensor ist. Änderungen der wirkenden Kräfte führen unmittelbar zu entsprechenden Ladungs- und daraus resultierend erfassbaren Spannungsänderungen. Piezoelektrische Wandler eignen sich vorteilhafterweise für dynamische Kraftmessungen auch mit sehr hohen Frequenzen, so dass auch schnelle Kraftänderungen über die äquivalenten Spannungsänderungen gemessen werden können. Mit steigender Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers steigt die Empfindlichkeit gegenüber Masseänderungen an. Dadurch ist ein sehr empfindlicher Biosensor zur Detektion von Mikroorganismen als Mikrowaage realisiert.The Substrate is advantageously according to the embodiment of claim 20 a piezoelectric transducer. In the piezoelectric transducer is the piezoelectric effect for converting force or pressure into one used electrical voltage. The occurring charges are the acting force proportional. The charges can be detected as voltage, so that the substrate itself is a mass sensor. amendments the acting forces lead directly to corresponding charge and resulting detectable voltage changes. Piezoelectric transducers are advantageously suitable for dynamic Force measurements even with very high frequencies, so that too fast Force changes over the equivalent voltage changes can be measured. With increasing resonance frequency of the piezoelectric transducer increases the sensitivity to mass changes at. This is a very sensitive biosensor for the detection of Microorganisms realized as a microbalance.
Abhängig vom eingesetzten Sensorprinzip können die zur Funktionalisierung eingesetzten Quorum Sensing-Komponenten gezielt ausgewählt werden. Für die Sensorik mittels Mikrowaagen eines piezoelektrischen Wandlers ist es beispielsweise sinnvoll, den Autoinducer mit seiner im Vergleich zum Rezeptor deutlich geringeren Masse auf der Sensoroberfläche zu immobilisieren und die Masseänderung, die durch das Ablösen des Rezeptors von den auf der Substratoberfläche immobilisierten Signalmolekülen hervorgerufen wird, zu detektieren.Depending on used sensor principle can the quorum sensing components used for functionalization specifically selected become. For the sensor system by means of microbalances of a piezoelectric transducer For example, it makes sense to compare the autoinducer with its immobilize to the receptor significantly lower mass on the sensor surface and the mass change that by the detachment of the receptor caused by the signal molecules immobilized on the substrate surface is going to detect.
Das Substrat ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 21 eine Elektrode eines steuerbaren Halbleiterbauelementes oder eines Kondensators, so dass jeweils ein Ladungssensor realisiert ist.The Substrate is according to the embodiment of claim 21 a Electrode of a controllable semiconductor component or of a capacitor, so that in each case a charge sensor is realized.
Zum einen ist das ein steuerbares Halbleiterelement vorteilhafterweise in Form eines Feldeffekttransistors, wobei ein Ladungsträgertransport nur durch Majoritätsträger stattfindet. Die Bindung, Umverteilung und Ablösung von Ladungen auf der Substratoberfläche führt zu einer zu messenden Änderung des leitfähigen Kanals im Feldeffekttransistor.To the one is that a controllable semiconductor element advantageously in the form of a field effect transistor, wherein a charge carrier transport only by majority carrier takes place. The binding, redistribution and release of charges on the substrate surface leads to a change to be measured of the conductive Channels in the field effect transistor.
Zum anderen ist das ein Kondensator, wobei die Bindung und Immobilisierung des Rezeptors oder des Autoinducers zu einer Änderung der elektrischen Energie im elektrischen Feld zwischen den Elektroden als Zweipol eines Kondensators führt.To the another is a capacitor, whereby the binding and immobilization of the receptor or the autoinducer to a change in electrical energy in the electric field between the electrodes as a two-terminal of a capacitor leads.
Das Substrat ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 22 ein Fotodetektor und/oder ein optoelektrisches Bauelement. Auftretende Fluoreszenzänderungen können über ein Fluoreszenzspektrometer als Fotodetektor direkt gemessen werden. Mit einer Kopplung eines optoelektrischen Bauelements kann der Effekt der Fluoreszenz ausgelöst oder verstärkt werden.The Substrate is a photodetector according to the embodiment of claim 22 and / or an opto-electrical component. Occurring fluorescence changes can over one Fluorescence spectrometer can be measured directly as a photodetector. With a coupling of an opto-electric device, the effect the fluorescence is triggered or reinforced become.
Das Substrat ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 23 ein Surface-Plasmonen-Resonanz-Spektrometer als Elektronendichtesensor. Einen Vorteil stellen die hohe Empfindlichkeit der Plasmonenresonanzfrequenz gegenüber Änderungen in der integralen Elektronendichte der immobilisierten Protein-Beschichtung sowie die gute Integrationsmöglichkeit in ein Mikrofluidiksystem dar.The Substrate is according to the embodiment of claim 23, a surface plasmon resonance spectrometer as an electron density sensor. An advantage is the high sensitivity the plasmon resonance frequency versus changes in the integral electron density the immobilized protein coating and the good integration possibility in a microfluidic system.
Auf dem Substrat befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 24 ein Goldelektrodenarray als elektrochemischer Sensor, so dass Änderungen in der Proteinbeschichtung über die Strom-Spannungs-Charakteristik in einem geeignet gewählten Referenzmedium unmittelbar detektiert werden können.On the substrate is located after the development of the claim 24 a gold electrode array as an electrochemical sensor, making changes in the protein coating over the current-voltage characteristic in a suitably selected reference medium can be detected immediately.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 25 ist das Substrat ein Bestandteil eines magnetischen Bauelementes. Das Substrat wird dabei als schaltendes, verstärkendes oder speicherndes Bauelement verwendet. Es ist dabei vorteilhafterweise ein Bestandteil einer logischen Schaltungsstruktur. Ein weiterer Vorteil besteht damit darin, dass ein derartiges Bauelement auch über logische Verknüpfungen von außen geschaltet werden kann. Damit kann zum Beispiel der Ausgangszustand wieder erreicht werden.According to the embodiment of claim 25, the substrate is a component of a magnetic component. The substrate is here used as a switching, amplifying or storage device. It is advantageously part of a logical circuit structure. Another advantage is that such a device can also be connected via logic links from the outside. Thus, for example, the initial state can be reached again.
Das Substrat ist nach der Weiterbildung des Patentanpruchs 26 ein Kalorimeter für enzymatische Reaktionen, das die bei der enzymatischen Reaktion gebildeten Temperaturänderungen erfasst. Die Wärmeleistung ist korreliert mit der Anzahl der gebundenen enzymatisch aktiven Rezeptormoleküle.The Substrate is a calorimeter according to the embodiment of patent claim 26 for enzymatic reactions, that the temperature changes formed in the enzymatic reaction detected. The heat output is correlated with the number of bound enzymatically active Receptor molecules.
Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.Based the following figures and embodiments the invention will be closer explained.
Dabei zeigenthere demonstrate
1. Ausführungsbeispiel1st embodiment
Zur
Herstellung eines Biosensors aus einem LuxP-Protein als Rezeptor
(
Das
so gewonnene LuxP-Protein wird über einen
geeigneten Linker auf die Oberfläche
des Substrates (
Die Anbindung der Rezeptorproteine erfolgt vorzugsweise über bekannte Methoden zur Bindung von Proteinen an Substratoberflächen. Geeignete Anbindungsmöglichkeiten sind zum Beispiel
- – bei einer Substratoberfläche aus Gold wird der Linker über ein Thiol an die Goldoberfläche gebunden, zum Beispiel 11-Mercaptoundecansäure, und geht über eine durch N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC) und N-Hydroxysulfosuccinimide (NHS) aktivierte Carboxylgruppe eine Amidbindung mit primären Aminen des Proteins ein, oder
- – bei Substraten mit Metalloxid-Oberflächen wird das Protein über ein Epoxidgruppen präsentierendes Silan, zum Beispiel 3-Glycidyloxypropyl-Trimethoxysilan, an die Substratoberfläche gebunden, das mit den primären Aminen des Proteins sekundäre Aminbindungen ausbildet.
- With a substrate surface of gold, the linker is attached via a thiol to the gold surface, for example 11-mercaptoundecanoic acid, and passes through an N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide (EDC) and N-hydroxysulfosuccinimide (NHS) activated carboxyl group, an amide bond with primary amines of the protein, or
- For substrates with metal oxide surfaces, the protein is attached to the substrate surface via an epoxide group-presenting silane, for example, 3-glycidyloxypropyl-trimethoxysilane, which forms secondary amine bonds with the primary amines of the protein.
2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment
Zur
Herstellung eines Biosensors aus einem auf der Oberfläche des
Substrates (
Der Autoinducer kann über einen homobifunktionalen Crosslinker, zum Beispiel 1,4 Butandiol-diglycidylether, an das Substrat gebunden werden, der mit Hydroxylgruppen des Autoinducers Etherbindungen eingeht. Die Bindung an die Substratoberfläche erfolgt durch die Bindung des Crosslinkers an Aminogruppen präsentierende Schichten auf den Substraten, Cystamin-Monolayer bei Goldoberflächen oder Aminosilane oder Aminoterpolymere bei Oxidoberflächen.Of the Autoinducer can over a homobifunctional crosslinker, for example 1,4-butanediol diglycidyl ether, bound to the substrate with hydroxyl groups of the autoinducer Etherbindungen received. The binding to the substrate surface takes place presenting by binding of the crosslinker to amino groups Layers on the substrates, cystamine monolayer on gold surfaces or Aminosilanes or amino-polymers on oxide surfaces.
Das Autoinducermolekül kann auch mit EDC/NHS-aktivierter 11-Mercaptoundecansäure an die Goldoberfläche der Substrate gebunden werden.The autoinducer can also bind to EDC / NHS-activated 11-mercaptoundecanoic acid gold surface the substrates are bound.
Das für das LuxP kodierende Gen wird mittels entsprechender Primer von z. B. genomischer DNA PCR-amplifziert. Das PCR-Fragment wird aufgereinigt und in einen Expressionsvektor, zum Beispiel pET-23 oder Novagen, für E. coli kloniert und die Sequenz des Gens mittels Sequenzanalyse verifiziert. Durch die Klonierung in den Vektor wird der Rezeptor C-terminal mit einem Histidin-tag versehen. Nach Expression des Gens wird das Rezeptorprotein mittels Affinitätschromatografie über Ni-NTA-Säulen (Qiagen) aufgereinigt.The coding for the LuxP gene is determined by means of appropriate primers of z. B. genomic DNA PCR amplified. The PCR fragment is purified and cloned into an expression vector, for example pET-23 or Novagen, for E. coli and the sequence of the gene is analyzed by sequence analysis fied. By cloning into the vector, the receptor is provided C-terminal with a histidine tag. After expression of the gene, the receptor protein is purified by affinity chromatography on Ni-NTA columns (Qiagen).
Das
so gewonnene Protein (
Das
Substrat (
In
einer ersten Ausführungsform
ist das Substrat (
In
einer zweiten Ausführungsform
ist das Substrat (
In
einer dritten Ausführungsform
ist das Substrat (
In
einer vierten Ausführungsform
ist das Substrat (
In
einer fünften
Ausführungsform
ist das Substrat
In
einer sechsten Ausführungsform
befindet sich auf dem Substrat
In
einer siebten Ausführungsform
ist das Substrat
Die Datenverarbeitungseinrichtungen der Ausführungsformen sind vorteilhafterweise bekannte Computer.The Data processing devices of the embodiments are advantageously known computer.
- 11
- Oberfläche des SubstratesSurface of the substrate
- 22
- Rezeptorreceptor
- 33
- Signalmolekülsignaling molecule
- 44
- von Mikroorganismen im Prozess des Quorum Sensing abgegebenes und damit im Medium vorhandenes Signalmolekülfrom Microorganisms released in the process of quorum sensing and thus in the medium existing signal molecule
Claims (26)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102006057975A DE102006057975B4 (en) | 2005-12-05 | 2006-12-01 | Method and device for detecting microorganisms and / or their activity |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005059483 | 2005-12-05 | ||
DE102005059483.2 | 2005-12-05 | ||
DE102006057975A DE102006057975B4 (en) | 2005-12-05 | 2006-12-01 | Method and device for detecting microorganisms and / or their activity |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102006057975A1 DE102006057975A1 (en) | 2007-06-06 |
DE102006057975B4 true DE102006057975B4 (en) | 2009-06-10 |
Family
ID=38047850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102006057975A Expired - Fee Related DE102006057975B4 (en) | 2005-12-05 | 2006-12-01 | Method and device for detecting microorganisms and / or their activity |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102006057975B4 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE202008013256U1 (en) | 2008-10-04 | 2008-12-24 | Tu Bergakademie Freiberg | Device for detecting incipient biofilm formation |
DE102013211850A1 (en) * | 2013-06-21 | 2014-12-24 | Gilupi Gmbh | Rapid test for detection of pathogen material, in particular to support the diagnosis of sepsis, and kit and device for performing a sepsis test |
DE102013011304A1 (en) * | 2013-07-02 | 2015-01-22 | Technische Universität Dresden | Method and device for detecting binding events of molecules |
CN113960317A (en) * | 2021-08-19 | 2022-01-21 | 深圳市辅酶医科技有限公司 | Biosensor and method for measuring concentration of NAD + in biological sample |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001094543A2 (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-13 | K-Quay Enterprises, Llc | Production and use of derivatized homoserine lactones |
-
2006
- 2006-12-01 DE DE102006057975A patent/DE102006057975B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001094543A2 (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-13 | K-Quay Enterprises, Llc | Production and use of derivatized homoserine lactones |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
EHRLICH, G.D. u.a.: Engineering approaches for the detection and … control of orthopaedic biofilm infections. Clin. Orthop. Relat. … Res. (August 2005)(437) 59-66 * |
EHRLICH, G.D. u.a.: Engineering approaches for the detection and control of orthopaedic biofilm infections. Clin. Orthop. Relat. Res. (August 2005)(437) 59-66 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102006057975A1 (en) | 2007-06-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhou et al. | Quantum dots applied to methodology on detection of pesticide and veterinary drug residues | |
Cattò et al. | Testing anti-biofilm polymeric surfaces: Where to start? | |
WO2007065423A1 (en) | Method and devices for the detection of microorganisms and/or the activity thereof | |
Christopher et al. | Recent advancements in rapid analysis of pesticides using nano biosensors: a present and future perspective | |
Pérez-López et al. | Nanomaterials based biosensors for food analysis applications | |
DE3513168A1 (en) | BIOSENSOR CONSISTING OF A SEMICONDUCTOR BASED ON SILICON OR CARBON-BASED (ELECTRONIC PART) AND NUCLEIN BASE (OR. OTHER BIOL. MONOMERS) | |
DE102006057975B4 (en) | Method and device for detecting microorganisms and / or their activity | |
Praneenararat et al. | Chemical methods to interrogate bacterial quorum sensing pathways | |
CN102203622A (en) | Synaptic vesicle cycling assays and systems | |
EP1309729A1 (en) | Use of an imaging photoelectric flat sensor for evaluating biochips and imaging method therefor | |
KR101953884B1 (en) | Paper-based colorimtric sensor for high efficient, rapid and visual detection of bacterial pathogen and high efficient, rapid and visual detection of bacterial pathogen | |
DE69932447T2 (en) | SPORING DISORDER BASED ANALYTICAL SYSTEM | |
EP3283879B1 (en) | Method for detecting one or more analytes in a sample, said detection being delimited by a reaction chamber | |
DE19736261A1 (en) | Method and device for detecting the toxic and mutagenic effects of chemicals and mixtures of substances | |
EP1307589A2 (en) | Method for detecting mutations in nucleotide sequences | |
EP1412528A2 (en) | Biosensor and method for detecting macromolecular biopolymers by means of at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers | |
DE19745668A1 (en) | Coupling of bio-technological functional units | |
Niculau et al. | MALDI-TOF Mass Spectrometry for the Diagnosis of Citrus Canker Caused by Xanthomonas citri subsp. citri | |
Sen et al. | Electrochemical biosensor arrays for multiple analyte detection | |
Choudhary | Biosensors for detection of food borne pathogens | |
WO2018127386A1 (en) | Nucleic acid-based lateral flow assay for rapid meat identification | |
DE102009010639B4 (en) | Method and arrangement for inhibiting a chemical reaction of substances in a liquid before a measurement | |
WO2007036352A2 (en) | Chip for diagnosing the presence of candida | |
AT413214B (en) | MEASUREMENT ARRANGEMENT AND METHOD FOR DETECTING A DNA SEQUENCE | |
Pividori et al. | Biosensing for food safety |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |