Ein Lab-on-chip System mit künstlichen Motoren für gebündelte multiparametrische biochemische Analysen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Larysa Baraban; Dr. Denys Makarov
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Analytische Chemie ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413655771

Eingliederung künstlicher Motoren in mikrofluidische Vorrichtungen zur multifunktionalen Wirkstofflieferung beschreibt ein neuartiges Konzept zur Kontrolle chemischer Reaktionen. Die Synergie der zwei Ansätze, nämlich die der autonomen künstlichen Motoren mit Lab-on-Chip Systemen beschreibt einen neuen Weg in Richtung hocheffizienter und spezifischer biochemischer Tests. Das ultimative Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuen biotechnologischen Ansatz für die Durchführung von Immunoassays, welche auf die aktive Beteiligung künstlicher Janus-Motoren im mikrofluidischen Chip setzt. Aus unseren Tätigkeiten wird die Realisierung eines miniaturisierten Chips hervorgehen, bei dem alle Schritte, die typischerweise manuell in konventioneller Bioprozessierung durchgeführt werden, von ferngesteuerten intelligenten künstlichen Maschinen übernommen werden. Während des Immunoassays werden speziell entwickelte Janus-Motoren biologische Spezies kontrolliert in fluidischen Kanälen transportieren, was uns eine schrittweise Durchführung biochemischer Reaktionen erlaubt. Jüngste Nachweise stützen sich auf die Nutzung begrenzter Anzahl von Motoren (einzelne Partikel und nicht ihre Gesamtheit) und die Benutzung von Einzelparametern für die quantitative Analyse von Bioassays. Ungeachtet mehrerer jüngster Ergebnissen, bei denen biologische Moleküle oder Zellen in flüssiger Umgebung detektiert wurden, ist die Realisierung einer mikrofluisch-basierten Platform, welche künstliche Motoren für multiplexe und multiparametrische biochemischer Assays nutzt, außer Reichweite. Wir richten unsere Aufmerksamkeit auf die Realisierung von auf Janus-Motoren basierten Bioassays zur Detektion von potentiell gefährlichen pathogenen Zellen (e.coli und s.aureus) mit Antikörpern als Rezeptoren. Dies schließt eine Integration funktioneller Janus-Motoren in einem mikrofluidischen Chip zusammen mit dem Zell- oder Proteinmedium ein, sowie zusätzlich der Messungen von (a) fluoreszenten/kolorimetrischen Signalen als Antwort der biologischen Erkennung zwischen Membranproteinen und Antikörpern und (b) statistischer Analyse der Durchschnittsgeschwindigkeit der Motoren. Dieser innovative Ansatz erlaubt es, eine chemische Reaktion auf der Motorenoberfläche durchzuführen, ohne die Notwendigkeit von Flüssigkeitsinjektionen oder Waschschritten während der Prozedur. Diese Strategie wird helfen die benötigte Zeit der Diagnostik erheblich zu senken, relevant für den pharmazeutischen und medizinischen Bereich, und senkt zudem die Kosten der kompletten Analyse. Das Design des Gerätes beinhaltet die Herstellung multipler Reaktionskammern mit verschiedenen Funktionalitäten, nämlich die Ladestationen der Janus-Motoren, Inkubationskammern und Detektionsbereiche.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Gianaurelio Cuniberti