Diagnostische DNA- und Protein-Chips

Im Mittelpunkt unserer Arbeiten stehen die industriell bedeutenden Bakterien Bacillus subtilis und Bacillus licheniformis. Mit Hilfe der Techniken der Transkriptomanalyse und/oder Proteomics kann der physiologische Zustand dieser bakteriellen Produktionsstämme während Fermentationsprozessen genau analysiert werden. Dadurch können eventuelle Engpässe oder Unsicherheitsfaktoren im Bioprozess entdeckt werden.

Durch Veränderung des Fermentationsregimes kann auf diese Faktoren entsprechend reagiert werden. Damit wird eine umfassendere Überwachung und Steuerung von mikrobiellen Bioprozessen zur Herstellung von Biopharmazeutika oder technischen Enzymen möglich. Weiterhin erlauben diese Techniken die Überwachung der Produktbildung sowie eine Qualitätskontrolle der Produkte, was von hohem Interesse ist, da insbesondere in der pharmazeutischen Industrie hohe Anforderungen an die Qualität und das Monitoring der industriellen Herstellungsprozesse gestellt werden. Die Nutzung der herkömmlichen Techniken zur DNA- bzw. Protein-Analyse hat jedoch einen großen Nachteil: Von der Probennahme bis zur Auswertung der DNA-Arrays, die das mRNA-Profil der Zelle abbilden bzw. bis zur Auswertung der 2D-Proteingele, die das Proteinspektrum der Zelle widerspiegeln, vergehen mehr als 24 Stunden. Wir arbeiten an Verfahren, mit denen die Expression prozessrelevanter Gene at-line bestimmt werden kann, um rechtzeitig in die Fermentationssteuerung eingreifen zu können.

Mit Hilfe von Proteomics sowie DNA-Array-Techniken können wir prozesskritische Gene von Produktionsstämmen identifizieren. Die dadurch gewonnenen Informationen über prozessrelevante Marker-Gene bzw. -Proteine werden anschließend für die Konfigurierung elektrischer DNA- und Protein-Chips genutzt.

Das elektrische Chip-System wird in Kooperation mit der AG Hintsche vom Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie sowie der Firma eBiochipSystems in Itzehoe bearbeitet. Das Messverfahren basiert auf einem elektrischen Detektionsprinzip mit Hilfe einer Red/Ox-Elektrode, in dem durch eine Sandwich-Hybridisierung ein direkter Nachweis von mRNAs oder Proteinen während der Fermentation möglich ist (siehe Abb. 1).

Diese elektrischen DNA- und Protein-Chips sind neben dem Einsatz in der Bioprozesskontrolle auch für die medizinische und pharmakologische Diagnostik verwendbar.