EuroBioSAS_NANOIOBIP_Insekten Odorant-Bindeproteine auf Biosensoren zur Detektion von Pflanzenkrankheiten

Die Themen Pflanzen-Insekten-Wechselwirkung und Erkennung von Pflanzenkrankheiten wurden bislang eher deskriptiv in der Literatur behandelt. Der Einsatz von bioanalytischen Verfahren und Messmethoden zur quantitativen Erfassung wurde weit weniger beschrieben. Biosensoren, die sich in anderen Bereichen mittlerweile einen etablierten Platz als zuverläßliche Hilfsmittel erobert haben, sind praktisch überhaupt nicht beschrieben. Dieses CRP hat sich zum Ziel gesetzt, einen Nano-Biosensor zur empfindlichen Erkennung von Pflanzenkrankheiten zu entwickeln. Dieser besteht aus einem Array von leitenden Polymer (LP) Nanofibers, funktionalisiert entweder mit Insekten Odorant- oder Pheromone-Bindeproteinen, welche auf den interdigitierenden Elektroden eines Liquid-Gate Feldeffekt Transistors (LIG-FET) immobilisiert sind. Alternativ wird ein Plasma- Polymer-beschichtetes und Bindeprotein-funktionalisiertes Gate eines organischen FETs (OFETs) zum Einsatz kommen. Die hoch-spezifische Bindung von Odorants oder Pheromonen auf diesen Sensoren führt zu einer Konformationsänderung der Proteine, welche als Änderung der Source-Drain Stromes des Transistors ausgelesen wird. Wir erwarten, dass unsere besten Sensor Prototypen eine Empfindlichkeit im unteren femto-molaren Bereich zeigen werden, dabei billig sind und ohne extra Label auskommen werden. Diese stellen dann die bei weitem besten Sensoren für die Diagnose von Pflanzenkrankheiten dar. Dieses Ergebnis wird auch Auswirkungen auf andere Einsatzbereiche, so z.B. bei der Detektion von Substanzen in der molekularen Diagnostik in der Medizin oder im militärischen Bereich. Spezifische Ziele dieses Projektes sind: Bestimmung der Selektivität und Spezifität von ganzen olfaktorischen Insekten-Zellen für Geruchsmoleküle mittel Insekten Antennen-basierten Sensoren (ABS) als etabliertem Referenzsystem; Entwicklung verschiedener Prototypen von LIG-FETs und OFETs; Synthese verschiedener LP Nanofibers und deren Fixierung auf den FET Bauteilen; Funktionalisierung der Sensoren mit Odorant- oder Pheromone Bindeproteinen; Test der Nanosensoren und Vergleich mit den ABS.

Für die Beobachtung von Licht (-Pulsen), z.B. in der optischen Kommunikationstechnologie, haben wir extrem empfindliche Detektoren, die selbst einzelne Photonen erkennen und zählen können. Die Aufnahme von Schallwellen in der akustischen Signalübermittlung ist technisch auch kein Problem: wir haben höchstentwickelte Mikrophone zur Verfügung, die eine erstaunliche Empfindlichkeit besitzen. Nur für die chemische Kommunikation, für die Bestimmung von Gerüchen und Geschmacksmolekülen auf einer technischen Ebene, haben wir (nahezu) nichts anzubieten. Trotz der Tatsache, dass die Registrierung von Molekülen bei der Chemotaxis, also bei der Suche nach Futter bei vielen Tierarten und beim Austausch von Botenstoffen zwischen verschiedenen Individuen einer Spezies als eine Form der chemischen Kommunikation auch beim Menschen die älteste Form der Sinneswahrnehmung darstellt, haben wir im Wesentlichen kein einziges technisches Gerät oder Modul, das die Empfindlichkeit oder die Bandbreite bieten würde, die notwendig ist, um die Fülle von Geruchsstoffen in unserer Umwelt zu registrieren und unterschiedliche Moleküle zu unterscheiden. Dabei gäbe es technisch einen enormen Bedarf für die Messung und Charakterisierung von kleinen Molekülen, z.B. von Duftstoffen und Gerüchen in der Luft, sei es bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, in der klinischen Diagnostik, bei der Erfassung von Pflanzenkrankheiten, bei der In-door Luftqualitätskontrolle, bei militärischen oder forensischen Sicherheitsbelangen, und so weiter. Frühere Ansätze, diese Lücke durch elektronische Nasen zu schließen, waren alle mangels hinreichender Empfindlichkeit erfolglos (mit der einzigen Ausnahme, dem Atemluft Alkohol Testgerät, das die Polizei bei Verkehrskontrollen benutzt). In diesem Projekt nun wurde ein sogenannter bio-mimetischer Ansatz gewählt um eine bio-elektronische Nase zu entwickeln. Dazu brachten wir die Welt der höchstempfindlichen mikroelektronischen Bauteile, etwa Transistoren als der Transducer Plattform zusammen mit der lebenden Welt von bio-funktionalen Modulen wie etwa Proteinen. Die Idee war, die Empfindlichkeit und Selektivität bestimmter Protein-Rezeptoren - in unserem Falle sog. Odorant Binding Proteins (OBP, Geruchsmolekül-Bindeproteine), mit ihrer natürlichen Fähigkeit Geruchsstoffe zu erkennen, zu kombinieren mit der Vielfalt elektronischer Bauelemente und deren Möglichkeiten zur digitalen Datenerfassung und Verarbeitung. Durch diese Synergie können wir jetzt anfangen, elektronisch zu riechen! Praktisch demonstriert haben wir das durch Kopplung eines OBP der Honigbiene Apis mellifera mit der Gate Elektrode eines Graphene Feldeffekt Transistors. Dieser bio- elektronische Geruchssensor ist in der Lage, Geruchsstoffe, die für die Biene wichtig sind, beispielhaft zu detektieren und in ihrer Konzentration quantitative zu bestimmen. Wir konnten damit zwischen starken und schwachen Gerüchen für die Biene unterschieden und sind jetzt dabei dieses Konzept auch auf Sensorik menschlicher Gerüche und auf für Menschen wichtige Geruchskomponenten auszuweiten.