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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-08-01 - 2020-09-30

Wir schlagen vor, einen Prototypaufbau für die holographische Phasenkontrast-Mikrozytometrie (HPCMC) zu bauen, eine von uns entwickelte einzigartige Methode, die Messungen von Größe, Form, optischen Eigenschaften und Bewegung von Objekten im Mikrometerbereich, z. Kolloide, Bakterien und Zellen, die in den Lebensmittel- und Biowissenschaften und verwandten Industrien untersucht wurden. Die holographische Phasenkontrast-Mikrozytometrie ist eine bahnbrechende markierungsfreie Mikroskopie- / Zytometrietechnik, die Statistiken der physikalischen Eigenschaften einzelner Mikropartikel und Mikroorganismen in Dispersion liefert. Unsere Technik basiert auf der Transmissionslichtmikroskopie. Anstatt in der Probe fokussiertes Licht zu verwenden, strahlen wir einen kollimierten Laserstrahl, ähnlich einem Laserpointer, durch die Probe. Dann zeichnen wir sogenannte Inline-Hologramme auf, die nur die Interferenz zwischen gestreutem Licht und dem Rest des Beleuchtungsstrahls darstellen. Um die Daten zu analysieren, wird das Licht „zurückgeworfen“, um das vollständige 3D-Lichtfeld zu erhalten, das sowohl Informationen zur Intensität als auch zur relativen Phase in jeder Tiefe liefert. Durch Kombinieren dieser Phasen- und Intensitätsinformationen können Phasenkontrastbilder aller Objekte in der Probe erzeugt werden. Mithilfe unserer einzigartigen und proprietären Algorithmen können wir alle Objekte in der Probe anhand der Menge des gestreuten Lichts, ihrer Form, Ausrichtung usw. charakterisieren. Darüber hinaus können wir dynamische Eigenschaften aus 3D-Trajektorien bestimmen. HPCMC kombiniert darüber hinaus diese einzigartige Charakterisierungsleistung mit einem Durchsatz, der dem der Durchflusszytometrie (FC) ähnelt. Durchflußzytometrie mißt auch Signale von einzelnen Mikropartikeln und Mikroorganismen, diese müssen jedoch vorher getrennt werden, typischerweise durch individuelle Einkapselung in Tropfen. Entscheidend für die Durchflusszytometrie ist die Markierung der Proben mit Fluoreszenzmarkern und deren Kombination mit der Analyse des vom Objekt gestreuten Lichts. Daher werden die Proben einer invasiven Voretikettierung unterzogen und es wird kein Bild erfasst. Letzteres bedeutet, dass entscheidende Eigenschaften wie Form und Größe nicht bestimmt werden können. Es werden auch keine Informationen über dynamische Informationen des Objekts erfasst, wie z. B. seine Beweglichkeit (Diffusion, Rotation, Vortrieb usw.), die wichtige Parameter in der Biowissenschaft sind, aber mit Hochdurchsatzmethoden heutzutage nicht verfügbar sind. HPCMC bietet quantitative Messungen physikalischer Eigenschaften, einschließlich der Mobilität einzelner Objekte bei hohen Erfassungsraten, und damit eine genaue Statistik der gesamten Probenpopulation mit Subpopulationsvariationen. Im Gegensatz zu bevölkerungsbasierten Methoden wie Standardstreutechniken kann HPCMC daher Datensätze verfeinern, um Teilpopulationen mit unterschiedlichen physikalischen oder beweglichen Eigenschaften innerhalb einer Bevölkerung zu identifizieren und so den Forschern und der Qualitätskontrolle neue Türen zu öffnen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-01-01 - 2021-12-31

Kohlenstoffröhren (engl. carbon nanotubes (CNTs)) sind zylinderförmige Nanostrukturen, die rein aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Auf Grund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie thermischen Leitfähigkeit, werden CNTs bereits als Zusätze in neuen Werkstoffen eingesetzt. CNTs wurden in letzter Zeit aber auch für Anwendungen in der Medizin näher betrachtet, da sie auf Grund ihres geringen Durchmessers Zellen und Gewebe durchdringen können. Nachdem CNTs chemisch inert sind und sich z.B. in Wasser nicht lösen, muss ihre Oberfläche chemisch oder durch Binden von Biomolekülen angepasst werden, um so mit weiteren Molekülen beladen zu werden oder mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten zu können. Dazu werden bevorzugt Proteine verwendet, da diese meistens gut biokompatibel sind und funktionelle Gruppen zum weiteren Binden anbieten. Aber, die Proteine - und somit deren funktionelle Gruppen - sind auf der CNT-Oberfläche meist nur unregelmäßig und auch nicht dicht gebunden. Eine Alternative zur Funktionalisierung von CNTs mit – zudem geschlossenen und hoch geordneten - Proteinschichten bieten S-Schichtproteine (engl. surface layer - Oberflächenschicht), die bereits seit langem zum Modifizieren von Oberflächen in der Nanobiotechnologie eingesetzt werden. S-Schichtproteine umschließen bei vielen Bakterienstämmen und bei allen Archaeen die Zellen vollständig und können als eine der häufigsten Biopolymere der Erde angesehen werden. S-Schichten zeigen Gitterparameter im Nanometerbereich, wobei sich auf Grund ihrer Struktur chemisch funktionelle Gruppen und genetisch eingebrachte funktionelle Domänen an streng definierten Positionen und in gleicher Orientierung wiederholen. Eine wesentliche Eigenschaft von S-Schichtproteinen liegt aber in ihrer Fähigkeit, von selbst wieder zweidimensionale Gitter in Lösung und an Grenzflächen, wie z.B. an festen Trägern, auszubilden. Das Projektziel liegt in der Erforschung der Rekristallisation von S-Schichtproteinen auf Kohlenstoffröhren und in der Anwendung der Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien, wie z.B. für die Biosensorik. Der Schlüssel dazu liegt in den Eigenschaften der S-Schichtproteine selbst, die eine hochspezifische Funktionalisierung der CNT Oberfläche erlauben. Im weiteren sollen neuartige Hybridstrukturen, wie z.B. Container zum Transport von Wirkstoffen, auf der Grundlage der Biomineralisation an S-Schichten entwickelt werden. Weiters sollen metallische Nanopartikel in den Poren der S-Schicht, also direkt auf dem Kohlenstoffgitter, abgelagert und somit die elektronischen Eigenschaften der „ein-dimensionalen“ Kohlenstoffröhren direkt beeinflusst werden. Diese Beispiele eines Bausatzes aus S-Schicht und Kohlenstoffröhren zeigen, dass dieses Projektes zu einer neuen Technologie zur biologischen Funktionalisierung von Kohlenstoffröhren führen kann.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2016-10-01 - 2021-09-30

Archaeen sind eine der ältesten Lebensformen die auf der Erde existieren. Diese einzelligen Organismen leben oft in extremen Biotopen. Viele Vertreter der Archaeen besitzen die Fähigkeit bei sehr hohen Temperaturen (d.h. über 80 °C), sehr niedrigen oder hohen pH-Werten, hohen Salzkonzentrationen oder hohen Drücken zu leben. Da bei vielen Archaeen die Zellhülle nur aus einer sehr dünnen Fettschicht (Lipidmembran), die von einer kristallinen Proteinschicht umhüllt wird, besteht, stellt sich die Frage wie die Natur diese hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Umweltbedingungen bewerkstelligt. Das Projekt „Herstellung und Charakterisierung von künstlichen archaealen Zellhüllen und deren Bedeutung als Modellmembran“ beschäftigt sich mit der Isolierung der biologischen Bausteinen (Lipide und Proteine) und dem Nachbau künstlicher Zellhüllen daraus. Es soll die Frage geklärt werden wie die Selbstorganisation der Etherlipide und der Oberflächenproteine im Detail abläuft. Zudem geht das Projekt der Frage nach welche Eigenschaften der Biomoleküle selbst und deren Verankerung untereinander zu den makroskopischen Zellhüllen mit erstaunlicher Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Biotopbedingungen führen. Zu diesem Zweck werden erstmals ausgewählte Stämme von Archaeen im Bioreaktor gezüchtet und daraus die Grundbausteine, das sind Oberflächenproteine und Fette (sogenannte Etherlipide), isoliert. Zusätzlich können die Oberflächenproteine auch genetisch hergestellt und verändert werden. So können Ankergruppen in das Protein eingefügt werden um dann spezifisch an die Etherlipide binden zu können. Dies ist ein neuer Ansatz den noch keine Forschergruppe zuvor versucht hat. Durch Anwendung des Bauprinzips, das in der Natur zu beobachten ist, werden Schicht für Schicht die Zellhüllstruktur von Archaeen nachgebaut. Dabei wird jeder Schritt mittels modernsten mikroskopischen und Oberflächen-sensitiven Techniken verfolgt und analysiert werden. Es kommen dabei neben hochauflösender Licht- und Fluoreszenzmikroskopie auch ein Elektronen- und ein Rasterkraftmikroskop als bildgebende Methoden zum Einsatz. Als wichtigste Oberflächen-sensitive Methoden seien die Oberflächenplasmonenresonanz Spektroskopie und die Schwingquarzmikrowaage mit Dissipationsmessung genannt. Diese Methoden dienen zur Bestimmung der Morphologie, Schichtausbildung, Dicke (im Nanometerbereich) und Beschaffenheit der Schichten. Aus den Ergebnissen dieses Projektes können wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Isolierung und vor allem der Selbstorganisation von Zellwandbausteinen gewonnen werden. Aus diesem Wissen heraus können Oberflächenbeschichtungen mit sehr spezifischen Eigenschaften (z.B. antihaftend oder selbst-reinigend) hergestellt werden. Als weitere Einsatzgebiete sind biomimetische Membransysteme zu nennen, mit denen man die Zellwände der Archaeen studieren und modellieren kann. Letztere haben aber auch ein großes Potential um als Modellsysteme zu dienen, in denen man Membran-aktive Peptide und Membranproteine einbauen und systematisch untersuchen kann. Damit könnte es auch möglich sein hoch sensitive Diagnose- und Sensorsysteme zu entwickeln.

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