Microarray- und Biosensortechnik

Die Arbeitsgruppe adressiert biotechnologische Fragestellungen an den Schnittstellen biologischer Strukturen und technischer Systeme. Dabei steht insbesondere das Ziel im Mittelpunkt, möglichst viele analytische Informationen aus wenig Material zu gewinnen. Die Lösung liegt in der Modifikation der jeweiligen Oberflächen.

Durch definierte (bio)chemische Funktionalisierung (verzweigte Linker) oder durch das Aufbringen dünner Filme (biopolymerbasierte Membranen oder schaltbare Hydrogelschichten), können Oberflächen mit neue Eigenschaften bzw. sogenannte intelligente Oberflächen erzeugt werden. Die technologische Umsetzung erfolgt sowohl auf geometrischen Materialen, wie z.B. Fasern, als auch auf planaren Trägern, wie Platten oder Chips. Die Oberflächen selbst variieren von Gläsern und Wafermaterialien bis hin zu Kunststoffen.

Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Produkte sind eigenständige Sensorelemente (Teststreifen-basierte PoNd) oder Analysen- und Datenbanktools (Zell- und Peptidchips) und können für die verschiedenen Fragestellungen aus den Bereichen Umweltanalytik, Lebensmittelüberwachung, Herdenmanagement, Prozesskontrolle oder Diagnostik eingesetzt werden.

Angebote der Arbeitsgruppe Microarray- und Biosensortechnik

Funktionale Oberflächenstrukturierung

  • Aktivierung, Modifizierung und (Polymer)Synthese verschiedenster Oberflächen
  • Gezielter Einsatz von Separations- und Permeationseigenschaften dünner Schichten
  • Optimierung der Bindungsreaktionen durch thermodynamische und kinetische Messungen
  • Oberflächencharakterisierung (IR, MS, Ellipsometer)
  • Messung der Interaktionsseigenschaften (ITC, SPR, Nanotemper)

Echtzeitmonitoring

  • Vor-Ort-Überwachung von Umsetzungs-, Wachstums-und/oder chemischen Prozessen
  • Physikochemische Charakterisierung der Wechselwirkungen von Biomolekülen

Ortsaufgelöste Analytik auf Basis von DNA, RNA, Peptiden, Proteinen und Zellen

  • Sondendesign
  • Physikochemische und biochemische Analytik
  • Herstellung kundenspezifischer DNA-, Peptid- und Proteinchips mit diversen Contact- und Non-Contact-Spottern
  • Hundertprozentige Kontrolle des Spotprozesses
  • Qualitätskontrolle über Kontaktwinkelmessung und AFM
  • Durchführung von Hybridisierungs- oder anderen Bindungsreaktionen mit Kundenmaterial und Auswertung der Mikroarrayexperimente

Entwicklung neuer hochdurchsatztauglicher Detektionstools

  • Spezifische Anreicherung mit oberflächenmodifizierten Mikro- und Nanopartikeln
  • Charakterisierung der Permeationseigenschaften dünner Schichten

Multiparameteranalytik (u.a. für Target- und Wirkstoff-Screening, Wirt-Pathogen-Interaktionen)

  • Transfer / Miniaturisierung bestehender Analysen in alternative (Sensor)Systeme
  • Präorganisierte Mimetika
  • Separation mit struktur-und oberflächenmodifizierten Mikro- und Nanopartikeln
  • Entwicklung und Charakterisierung von bioanalogen Rezeptoren
  • Assayentwicklung

Minimum

Im Rahmen eines Großprojektes zum Schnellnachweis von Krankheitserregern wird durch die Arbeitsgruppe eine hochauflösende molekulare Beschichtung für neue Sensormaterialien entwickelt. Diese soll einen differenzierten und hoch selektiven Nachweis verschiedener Erreger labelfrei ermöglichen.

Die neuen Sensoren sollen so modifiziert werden, dass sie für die Kopplung biologischer Komponenten, wie Antikörper, Antigene, Peptide bis hin zu ganzen Zellen nutzbar sind und trotzdem ihre optischen Eigenschaften nicht verlieren.

Die Modifizierungen dürfen dabei jedoch keinerlei Einschränkungen auf das Bindeverhalten der Fängermoleküle nach sich ziehen, da dies die spätere Analyse beeinträchtigen würde. Die Bindungseigenschaften dürfen somit nicht durch die Einbuße eines Freiheitsgrades beeinflusst werden.

Dank: Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Europaangelegenheiten des Landes Brandenburg und der EU gefördert.

Taschentuchlabor

Ziel des »Taschentuchlabors« ist die Entwicklung einer neuen Generation von Biosensoren, die den Analyten spezifisch binden und seinen Nachweis ohne spezifische Hilfsmittel ermöglichen.

Dabei werden durch spezielle Ankerstrukturen multiple Erkennungsdomänen erzeugt, die so angepasst, kombiniert und positioniert werden, dass sie effizient an die zu erkennenden Erreger binden. Die Verankerung dient ferner der funktionellen Verbindung an ein Substrat, welches zusätzlich für die Signalkopplung sorgt. Des Weiteren darf das Gerüst die Erkennungsreaktion nicht verfälschen oder die Inertheit der Erkennungsdomänen gegenüber den Kopplungsreaktionen gefährden. Je nach gewählter Signalkopplung werden sowohl die chemischen Reaktionen als auch die Sequenz der Aufbauschritte (relative Abfolge des Zusammenbaus von Erkennungsdomänen, Signalgebern und Substraten) angepasst und variiert. Wichtige Fragestellungen sind der Einbau geeigneter Spacergruppen für die Erkennungsdomänen und deren relative Positionierung zueinander, zu den signalgebenden Gruppen und zum Substrat.

Dank: Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (03IS2201A) gefördert.

Therasens

Das Projekt hatte zum Ziel, autonome Biosensoren zu entwickeln und mit Telekommunikationseinheiten zu verbinden. Das Konzept zeigt Möglichkeiten auf, die notwendige Präanalytik mit der Sensorik zu integrieren. Dabei wurden beispielhafte medizinische Szenarien zugrunde gelegt, um Demonstratoren für ausgewählte Parameter entwickeln zu können.

Dank: Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Europaangelegenheiten des Landes Brandenburg und der EU gefördert.

Biochipherstellung

  • Kontakt- und Non-Kontakt-Biochip-Arrayer zur Herstellung von DNA-, Peptid-, Protein- und weiteren Biochips
  • diverse Biochip-Scanner: Tecan-Scanner, Applied Precision »Arrayworx«
  • Eigenentwicklung »FLOW« zur simultanen kinetischen Messung im Durchfluss

Biosensorik

  • Labelfreie Biosensoren (BiacoreTM T100, BiacoreTM T200, Reichert SR7000DC, Monolith NT.115, MicroCal VP-ITC, Flow-chip-Kalorimeter, ICT, MST, Ellipsometer)
  • Faseroptischer Immunosensor-Analysator
  • Flow-Cytometer
  • Elektrochemische Workstation (Amperometrie, CV, SWV, DPP, OCPT, etc.)
  • Nanoliter-Mikrodispenser
  • Klimakammer

Instrumentelle Analytik

  • HPLC
  • Massenspektrometrie
  • FT-IR-Spektrometer
  • Fluoreszenz-MTP-Reader
  • UV-NIR-Spektralphotometer
  • µL-UV-Vis-Spektralphotometer
  • UV-Vis spektroskopischer MTP-Reader
  • Biolumineszenz / Fluoreszenz-MTP-Reader und -Spektrometer

Publikationen

  • Bader D, Klier DT, Hettrich C, Bier FF, Wessig P. Detecting carbohydrate–lectin interactions using a fluorescent probe based on DBD dyes. Anal. Methods. 2016 Jan 13; 8, 1235-1238: DOI dx.doi.org/10.1039/C5AY02991K
  • Couturier J-P, Wischerhoff E, Benin R, Hettrich C, Koetz J, Sütterlin M, Tiersch B, Laschewsky A. Thermoresponsive Polymers and Inverse Opal Hydrogels for the Detection of Diols. Langmuir. 32 (2016) 4333-4345: DOI dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b00803
  • Prashant P, Elangovan E, Hettrich C, Möller HH, Linker T. Synthesis of 2-Thiocarbohydrates and Their Binding to Concanavalin A. J. Org. Chem. 81 (2016) 8595–8603: DOI dx.doi.org/10.1021/acs.joc.6b00987
  • Couturier J-P, Sütterlin M, Laschewsky A, Hettrich C, Wischerhoff E. Inverse Opale aus responsiven Hydrogelen für die Detektion von Makromolekülen. Angew. Chem. 127 (2015) 6741-6745, DOI dx.doi.org/10.1002/ange.201500674.
  • Couturier J-P, Sütterlin M, Laschewsky A, Hettrich C, Wischerhoff E. Responsive Inverse Opal Hydrogels for the Sensing of Macromolecules. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (2015) 6641-6644, DOI dx.doi.org/10.1002/anie.201500674.
  • Hüttl C, Hettrich C, Riedel M, Henklein P, Rawel H, Bier FF. Development of peptidyl lysine dendrons: 1,3-Dipolar cycloaddition for peptide coupling and antibody recognition. Chemical Biology and Drug Design. 85 (2015) 565-573. DOI dx.doi.org/10.1111/cbdd.12444.
  • Kumke M, Eisold U, Sellrie F, Schenk J, Stöcklein W, Lenz C. Bright or dark immune complexes of anti-TAMRA antibodies for tailored fluorescence based bioanalysis. Anal. Bioanal. Chem. 2014 eingereicht.
  • Hovestädt M, Memczak H, Pleiner D, Zhang X, Rappich J, Bier FF, Stöcklein WFM. Characterization of a new maleimido functionalization of gold for surface plasmon resonance spectroscopy. J. Mol. Recognit. 2014, in press, DOI dx.doi.org/10.1002/jmr.2396.
  • Hüttl C, Hettrich C, Miller R, Paulke B-R, Henklein P, Rawel R, Bier FF. Self-assembled peptide amphiphiles function as multivalent binder with increased hemagglutinin affinity. BMC Biotechnology 2013, 13, 51 s.
  • Kozma P, Lehmann A, Wunderlich K, Michel D, Schumacher S, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. A novel handheld fluorescent microarray reader for point-of-care diagnostic. Biosensors & bioelectronics 47 (2013), S.415-420.
  • Schumacher S, Lüdecke C, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. Platform technologies for molecular diagnostics near the patient's bedside. Molecular diagnostics Berlin: Springer, 2013 (Advances in biochemical engineering/biotechnology 133) ISBN: 978-364-23769-1-7.
  • Dechtrirat D, Jetzschmann KJ, Stöcklein WFM, Scheller FW, Gajovic-Eichelmann N. Protein rebinding to a surfice-confined imprint. Adv. Funct. Mater. 22, 5231-7 (2012).
  • Stech M, Merk H, Schenk JA, Stöcklein W, Wüstenhagen D, Micheel B, Duschl C, Bier FF, Kubick S. Production of functional antibody fragments in a vesicle-based eukaryotic cell-free translation system. J. Biotechnol. (2012) 164, 220-231.
  • Heise C, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. Dansyl, a fluorescent photoprotecting group for microarray applications. Journal of chemical technology and biotechnology : JCTB 87 (2012), Nr.11, S.1584-1592.
  • Grießner M, Hartig D, Christmann A, Pohl C, Schellhase M, Ehrentreich-Förster E. Development and characterization of a disposable plastic microarray printhead. Biomedical microdevices 13 (2011), Nr.3, S.533-538.
  • Schumacher S, Katterle M, Hettrich C, Paulke B-R, Hall DG, Scheller FW, Gajovic-Eichelmann N. Label-free Detection of Enhanced Saccharide binding at pH 7.4 to Nanoparticulate Benzoboroxole-based Receptor Units. Journal of Molecular Recognition 24 (2011) S. 953-959.
  • Tan C, Gajovic-Eichelmann N, Stöcklein WFM, Polzius R, Bier FF. Direct detection of Delta-9-Tetrahydrocannabinol in saliva using a novel homogeneous competitive immunoassay with fluorescence quenching. Anal. Chim. Acta 658, 187-192 (2010).
  • Nagel T, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. Label-free serodiagnosis on a grating coupler. Rasooly, A.; Herold, K.: Biosensors and Biodetection: Methods and Protocols. Volume 1: Optical-Based Detectors Totowa, N.J.: Humana Press, 2009 (Methods in molecular biology 2256) ISBN: 978-1-60327-566-8 Kap.10.
  • Ehrentreich-Förster E, Orgel D, Krause-Griep A, Cech B, Erdmann VA, Bier F, Scheller FW, Rimmele M. Biosensor-based on-site explosives detection using aptamers as recognition elements. Analytical and bioanalytical chemistry 391 (2008), Nr.5, S.1793-1800.
  • Nagel T, Ehrentreich-Förster E, Singh M, Schmitt K, Brandenburg A, Berka A, Bier FF. Direct detection of tuberculosis infection in blood serum using three optical label-free approaches. Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 129, Issue 2, 2008, 934-940.
  • Antwerpen MH, Schellhase M, Ehrentreich-Förster E, Bier FF, Witte W, Nübel U. DNA microarray for detection of antibiotic resistance determinants in Bacillus anthracis and closely related Bacillus cereus. Molecular and cellular probes, Vol.21 (2007), No.2, pp.152-160.
  • Andresen H, Grötzinger C, Zarse K, Birringer M, Hessenius C, Kreuzer OJ, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. Peptide microarrays with site-specifically immobilized synthetic peptides for antibody diagnostics. Sens Actuators B Chem 2005 Volume 113, Issue 2, 27 February 2006, Pages 655-663.
  • Andresen H, Zarse K, Grötzinger C, Kreuzer OJ, Ehrentreich-Förster E, Bier FF. Functional Peptide Microarrays for Specific and Sensitive Antibody Diagnostics. Proteomics 6 (2006), Nr.5, S.1376-1384.

Patente

  • Reiss E, Bier F, Stöcklein W. Signalgebende Bindemoleküle, Vorrichtung und Verfahren zu deren Verwendung. DE 10 2010 010 052 A1. 8. Nov. 2011.
  • Bier F, Ehrentreich-Förster E. Koimmibilisierung mehrerer chemischer Spezies. DE 100 02 895 B4. 9. Feb. 2006.
  • Hettrich C, Hettrich K, Ehrentreich-Förster E. Herstellung von transparenten Filmen aus Cellulose-Dispersionen und deren Verwendung als multifunktionelle Träger für Liganden (Analyten).
  • Ehrentreich-Förster E, Kozma P, Schumacher S. Messgerät zur Lumineszenzmessung. DE 10 2012 018 303 A1. 20. März 2014.