18/06/2012 - Neuer Biosensor für die Analyse von Binnengewässern

Menéame

Forscher an der Complutense University in Madrid haben einen optischen Biosensor entwickelt, um die Mikrozystine in Süßwasser zu analysieren. Giftstoffe, die durch Cyanobakterien entstehen.

Die Studie erscheint in der Zeitschrift Biosensoren & Bioelectronics.

Die Gruppe der optischen und photochemischen chemischen Sensoren (GSOLFA) der Fakultät für Chemiewissenschaften der Universität Complutense in Madrid (UCM) hat einen optischen Biosensor entwickelt, der auf Matrizen beruht ("Mikroarrays") zur Bestimmung der Qualität des Binnengewässers vor Ort.

Insbesondere analysiert sie die Mikrozystin-Typ LR (MC-LR), die häufigsten Toxine bei Zyanobacterien-Vermehrungen (früher als "grüne, zuckerhaltige Algen" bezeichnete Mikroorganismen).

Die Analyse basiert auf einem "wettbewerblichen" Immuntest. Das in der Probe vorhandene Cyanoxin konkurriert mit einem Derivat aus der Probe, das auf einer flachen Oberfläche, die als Strahlungswellenleitfaden (Chip) wirkt, durch die Bindungsstellen eines selektiven Antikörpers an MC-LR konditioniert wird.

Die Menge an Antikörpern, die an die Oberfläche des Chips gebunden sind, wird anschließend unter Verwendung eines sekundären Antikörpers bewertet, der mit einem Leuchtstoffanzeiger oder -sonde markiert ist. Diese selektive Interaktion mit dem Antikörper, der an der Sensoroberfläche befestigt ist, ergibt ein umgekehrt proportionales Signal zur MC-LR-Konzentration in der analysierten Probe.

Die Erkennung von Mikrocystinen erfolgt mit Hilfe eines Instruments, das in eine tragbare Einheit die Erregungssysteme (Laserdiode), die Erkennung (CCD-Kamera) und die Mikrofluidsysteme integriert. In diesem Instrument wirkt sich die Strahlung aus der Laserdiode auf einen der Kanten des Glases aus, das als Wellenführung dient, und erleuchtet den empfindlichen Bereich, in dem die Immunreaktion auftritt.

Evaneszent und fluoreszierend

Die Strahlung wird durch innere Reflexion übertragen, indem sie ein elektromagnetisches Feld, das so genannte Evangelisierungsfeld, erzeugt, das eine gewisse Entfernung von der Oberfläche durchdringt, indem es die Leuchtstoffmoleküle in der empfindlichen Zone anregt. Die ausgestrahlte Strahlung wird mit einer CCD-Kamera gemessen, mit der ein Bild der Oberfläche der Wellenführung gewonnen werden kann.

Der Messprozess ist sehr einfach. Der funktionalisierte Chip wird in das Messgerät eingebaut, indem die zu analysierenden Wasserproben (bis zu 6 Proben) auf die Oberfläche fließen und eine konstante und bekannte Konzentration des selektiven Antikörpers MC-LR hinzugefügt wurde. Nach der Legierung mit einem Leuchtstoff-Anzeiger wird ein Bild der Oberfläche gewonnen. Die Intensität des Leuchtstoffsignals ermöglicht die Berechnung der Konzentration von Mikrocystin in der Probe.

Der optimierte Biosensor hat einen Nachweiswert von 16 ± 3 ng/l und einen dynamischen Bereich von 0.06 -1.5 μg/l, der den von der WHO empfohlenen Leitwert (1 mg/l) enthält. Microarray zeigt Kreuzreaktivität gegenüber anderen Mikrozystinen wie RR (MC-RR 90%) und Microcystin YR (MC-YR 91%), die auch in kontaminierten Gewässern in Spanien vorkommen.

Das Gerät kann sechs gleichzeitige Messungen innerhalb von 60 Minuten durchführen und die Chips können für mehrere Tests ohne einen signifikanten Verlust ihrer analytischen Leistung wieder verwendet werden, was im Vergleich zu anderen Ergebnissen, die in der Literatur unter Verwendung von Mikroarrays beschrieben sind, neu ist. Diese wurden in Zusammenarbeit mit dem CEDEX-Zentrum für hydrographische Studien (CEH-CEDEX) auf die Analyse verschiedener Wasserproben von Seen und Flüssen in der spanischen Geographie angewandt, und die Ergebnisse wurden durch die HPLC-MS-Technik validiert.

Die GSOLFA-Gruppe arbeitet derzeit an der Entwicklung von Antikörpermikroarrays für die gleichzeitige und vor Ort durchgeführte Analyse neu aufkommender Umweltschadstoffe mit einem einzigen Chip (Multianalyt-Analyse) schnell, einfach und kostengünstig. Zu diesem Zweck werden neue Elemente der biomymetischen Erkennung (mit Dextranen modifizierte Enzyme, Polymere molekularer Impronta...) entwickelt, die in naher Zukunft für die Herstellung von Multianalit-Mikroarrays von großem Nutzen sein können.

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WEITERE INFORMATIONEN

Bibliographische Referenz:

Herranz, S., Marazuela, M.D., Moreno-Bondi, M.C. "Automated portable array biosensor for multisample microcystin analysis in freshwater samples". Biosensors & Bioelectronics 33: 50-55, 2011. Doi: 10.1016/j.bios.2011.12.016.

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Cyanobakterien und ihre Toxine

Cyanobakterien, auch bekannt als grüner-azuriger Algen, sind prokaryotische, aerobe und photoautotrope Mikroorganismen. Mit anderen Worten, sie haben keinen differenzierten Kern, sie brauchen den diatomischen Sauerstoff, um zu leben oder sich zu entwickeln, und sie machen Photosynthese, um Energie zu erhalten. Sie wachsen in Süßwasser- und Meeresgewässern auf, wo die zunehmende Eutrophierung (Nährstoffvermehrung, hauptsächlich Stickstoff und Phosphor) ihre unkontrollierte Verbreitung (Florationen) fördert, insbesondere in den Sommermonaten, was sich negativ auf die Wasserqualität auswirkt.

Zu diesem Umweltproblem kommt auch die Tatsache hinzu, dass einige Cyanobakterien bestimmte sekundäre Metaboliten, so genannte Cyanotoxine, produzieren, die für verschiedene Organismen - auch für Menschen - giftig sind, was ein erhebliches Gesundheitsrisiko darstellt.Mikrocystin (MC) sind die häufigsten Toxine bei der Verbreitung von Cyanobakterien in Binnengewässern.

Es handelt sich um sehr stabile zyklische Heptapeptide, die von verschiedenen Arten von Cyanobakterien wie Microcystis, Anabaena und Oscillatoria hergestellt werden. Die Exposition mit hohen MCs-Dosen kann zum Tod durch hypovolämischen Schock führen, auch als Blutung bezeichnet, während die chronische Exposition mit niedrigen Dosen mit dem Auftreten von Leberkrebs in Zusammenhang zu stehen scheint. Diese Toxine sind resistent gegen Oxidationsmittel, die üblicherweise bei der Wasserbehandlung eingesetzt werden, z. B. gegen Chlorierung, und ihre thermische Degradation tritt bei Temperaturen über 120 °C auf, was ihre Ausscheidung durch Siede aus dem Wasser erschwert.

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat eine vorläufige Höchstkonzentration von Mikrocystin-LR-Wasser (MC-LR) festgelegt, einer der reichsten in unserem Land, 1 mg/l für den direkten Verbrauch. Daher sind empfindliche, schnelle und selektive Nachweismethoden erforderlich, die die Kontrolle des Vorhandenseins von Mikrocystinen in der Umwelt erleichtern und die Qualität des Wassers, das den Verbraucher erreicht, gewährleisten.

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