MACS - Mikrobiologische Aktivitätsmessung mittels chemischer Sensoren

Laufzeit: 01.03.2018 - 31.12.2020

Projektbeschreibung

Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Parasiten und Viren) sind für den Menschen und seine Umwelt von größter Bedeutung. Es ist bekannt, dass sie über ihren Stoffwechsel eine Vielzahl von Substanzen produzieren. Sie recyceln Nährstoffe in Ökosystemen und sind wichtige Bestandteile des Stickstoffkreislaufs oder der Verdauungssysteme von Menschen und Tier. Andererseits können Mikroorganismen aber auch Krankheiten und sogar den Tod verursachen. In der Biotechnologie und Lebensmittelindustrie werden solche Organismen intensiv genutzt, um Substanzen und Produkte kosten- und energieeffizient herzustellen. Entscheidend ist dabei die präzise Steuerung und Optimierung der Lebensbedingungen der Organismen wie z.B. pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffzufuhr, Stickstoffzufuhr, Glukosegehalt etc.), sodass die kultivierten Organismen die gewünschten Stoffe in höchsten Konzentrationen erzeugen und die Produktion unerwünschter Nebenprodukte weitestgehend unterbunden wird. Eine in-situ sensorische Erfassung der produzierten Stoffe in der Flüssigphase mittels chemischer Sensoren würde eine optimierte Regelung der Reaktionsbedingungen in Echtzeit ermöglichen und damit zu einer Erhöhung der Produktivität der Anlagen und zu einem effizienteren Produktionsprozess führen.

Neben den Substanzen in der Flüssigphase produzieren Mikroorganismen eine Vielzahl volatiler organischer Komponenten (VOC), das sog. Volatilom. Zu diesem gehören Alkene, Alkohole, Ketone, Aldehyde, organische Säuren, Ester, Aromaten und Terpene. Obwohl das Volatilom Aufschluss über den Stoffwechsel und den "Gesundheitszustand" von Mikroorganismen geben kann, ist darüber vergleichsweise wenig bekannt. In der Ende 2013 veröffentlichten Datenbank mVOC sind nur ca. 350 Bakterien- und 70 Pilzsorten mit ihrem Volatilom registriert. Grund für die limitierte Datenlage ist die schlechte und/oder aufwändige Detektierbarkeit der VOC. Hier setzt das Projekt an.

Grafische Darstellung der MACS-ProjektaufgabenIm Projekt MACS soll der Stoffwechsel von verschiedenen Mikroorganismen mittels chemischer Sensoren in der Gas- und Flüssigphase (Prof. Joseph) in Kulturgefäßen gemessen werden (s. Abb. 1). Begleitend werden chromatographische Messungen (GC/MS und HPLC/MS) durchgeführt. Alle gemessenen Sensorsignale und Spektren werden durch eine Mustererkennungssoftware verarbeitet (Prof. Villmann) und mit den angebotenen Lebensbedingungen der Mikroorganismen korreliert. Die Verwendung von VOCs als Markersystem bietet den entscheidenden Vorteil, dass sie leicht, so oft wie gewünscht und nichtinvasiv aus der Kultur gewonnen werden können. Beispielhaft sollen im Projekt Schimmelpilzkulturen (Dr. Meyer), Zellkulturen für den Gewebeersatz (Dr. Meyer) und mikrobielle Kulturen der Biohydrometallurgie (Prof. Schlömann) untersucht werden.

Durch die Messung der Substanzen des mikrobiellen Stoffwechsels lassen sich sowohl die Einflussgrößen optimieren, die sich auf die mikrobielle Aktivität auswirken, als auch die Stoffwechselantwort von Zellen unter umweltbedingtem Stress identifizieren. Diese Informationen sind von hoher Relevanz für das Grundlagenverständnis der Zelle-zu-Zelle-Kommunikation bei Biofilmbildung, Antibiotika-Identifikation und weiteren kollektiven Funktionen von Mikroorganismen. Zudem lassen sich die Ergebnisse für vielfältigste Anwendungsbereiche wie z.B. die industrielle Biotechnologie, für die Lebensmittelsicherheit, für Bioenergieprozesse, für die Landwirtschaft (Biozid-Entwicklung), für Umwelt- und Geoanwendungen ("Bioleaching" und "Phytomining"), sowie für die Medizin im Bereiche der Gewebeanzucht ("Tissue Engineering") und der Diagnose von Krankheiten über das Volatilom nutzen. Eine Detektion von Schimmelpilzbefall in Innenräumen kann realisiert werden und im Extremfall könnten sogar Personen mittels Sensoren an ihrem (von den Mikroorganismen auf der Haut) produzierten Volatilom identifiziert werden.

Beteiligte Wissenschaftler

  • Prof. Dr. Yvonne Joseph (Koordinatorin, TUBAF Fakultät 5)
  • Prof. Dr. Michael Schlömann (TUBAF Fakultät 2)
  • Dr. Michael Meyer (Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen FILK)
  • Prof. Dr. Thomas Villmann (Hochschule Mittweida)