Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2016

Ein mikrofluidisches System für die gerichtete Evolution von magnetotaktischen Bakterien

Prof. Dr. Dirk Schüler
Universität Bayreuth
Department of Microbiology

Prof. Dr. Dino Di Carlo
University of California, Los Angeles (UCLA)
Department of Bioengineering


Magnetosomen aus magnetotaktischen Bakterien haben eine Reihe von vielversprechenden biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. magnetische Bildgebungs- und Hyperthermie-Verfahren. Mittels genetic engineerings des Magnetosomenbiosynthesewegs (etabliert in der AG Schüler, UBT) und der Expertise in rare cell sorting (AG Di Carlo, UCLA) soll eine mikrofluidische Plattform für die halbautomatische Hochdurchsatz-Sortierung und magnetische Quantifizierung einzelner Zellen von M. gryphiswaldense entwickelt werden. Diese soll später für die gerichtete Evolution von Magnetosomen-überproduzierender Mutanten von M. gryphiswaldense für die Massenproduktion von magnetischen Nanopartikeln angewendet werden. Die genetische Analyse der Mutantenstämme wird weiterhin Aufschluss über bisher unbekannte regulatorische Genfunktionen geben, die die Magnetosomenüberproduktion steuern.

Abschlussbericht
Magnetitnanopartikel (MNPs) haben eine Reihe von vielversprechenden biomedizinischen Anwendungen, jedoch stellt deren synthetische Herstellung und Funktionalisierung mit einheitlicher Größe und definierten physiko-chemikalischen Eigenschaften eine große Herausforderung dar. Magnetotaktische Bakterien produzieren MNPs mit den genannten Eigenschaften in Form so genannter Magnetosomen, intrazellulärer, von einer Membran-umgebener Magnetitpartikel. Da kaum Methoden für die magnetische Separation magnetotaktischer Baktieren (insbesondere Magnetosomen-überproduzierender Mutanten) existieren, war das Ziel dieses Projekts eine mikrofluidische Plattform für die halbautomatische Hochdurchsatz-Sortierung und magnetische Quantifizierung einzelner Zellen zu entwickeln. Hierzu wurde ein mikrofluidisches Setup ausgestattet mit jeweils zwei Ein- (für Kulturmedium/Puffer und Bakteriensuspension) und Auslässen (Sammelbehälter und Abfall) gefertigt. Zudem wurde ein Neodymium Magnet in der Nähe des Hauptkanals der Mikrofluidik platziert. Durch das hierbei generierte lokale magnetische Feld werden MTB, basierend/anhand ihres Gehalts intrazellulärer Magnetit-Partikel, entweder dem Sammel- oder Abfallbehältnis zugeführt. Eine Optimierung der (Parameter) Flussrate/Volumenstrom und magnetische Feldstärke wurde mittels magnetischer „Beads“ vorgenommen, welcher näherungsweise die Länge einer Bakterienzelle (~ 3 µm) besaßen. Die Eignung des mikrofluidischen Setups für die Sortierung von MTB konnte in einer Reihe von Kontrollexperimenten demonstriert werden. Hierzu wurden jeweils fluoreszenmarkierte Zellen eines magnetischen Wildtyp-Stammes sowie einer nicht magnetischen ΔmamAB-Mutante von Magnetospirillum gryphiswaldense durch Einbringen der genetisch-kodierten Marker GFP bzw. mCherry generiert. In Experimenten mit Populationen eines einzelnen Stammes konnten magnetische Wildtyp-Zellen mit 71% (WT-GFP) bzw. 80% (WT-mCherry) Effizienz im Sammelbehältnis angereichert werden, während in Experimenten mit einer Mischpopulation und jeweils identischer Ausgangszellzahl beider Stämme eine ~95% Anreicherung des Wildtyp-Stammes gegenüber der ΔmamAB-Mutante erzielt werden konnte. In einem zweiten Set von Experimenten konnte zudem demonstriert werden, dass mittels unseres mikrofluidischen Setup auch eine Sortierung bereits existierender Mutantenstämme mit unterschiedlichem Gehalt an Magnetosomen (Partikel/Zelle) möglich ist. Zusammengefasst konnte erfolgreich eine mikrofluidische Plattform für die halbautomatische magnetische Hochdurchsatz-Sortierung einzelner Zellen entwickelt werden, welche beispielweise nutzbar ist für die gerichtete Evolution Magnetosomen-überproduzierender Mutanten (für die Massenproduktion von magnetischen Nanopartikeln) oder auch Einzelzellanalytik durch geeignete Anpassung der Parameter. Ein gemeinsames Manuskript von Andy Tay und Dino DiCarlo (UC Los Angeles) sowie Daniel Pfeiffer und Dirk Schüler (Universität Bayreuth) mit dem Titel “Microfluidic Magnetic Separation for Estimating the Magnetic Contents of Magnetotactic Bacteria” wurde zur Veröffentlichung eingereicht.