Optical sensors. Do they require a computer?

Recently, optical sensors have obtained increasing interest in application and research. In principle , they are considered to detect selectively compounds in analyte mixtures by their specific activity of the chemicals or biochemicals in the sensor head. But, evidently this requirement cannot be fulfilled at the moment. For this reason, in addition to the use of microprocessors for the automatization of the sensor measurement, computers have to be used in the evaluation of data to increase selectivity by the use of sensor arrays and methods of multicomponentanalysis and pattern recognition, respectively. The necessity of computers in the physico-chemical characterization of the sensor material, in the process control, and in the data evaluation is demonstrated. Furthermore, some examples of sensors based on fiber optics and interferometric detection principles as well as wave guide applications are discussed

In-House Databases for Literature : A Program System for Fast and Conveniend Literature-Search and -Handling

Es werden die modernen Möglichkeiten der Verwaltung und Verarbeitung von Literatur in in-house Datenbanken vorgestellt. Diese Datenbanken dienen zur Ergänzung von kommerziellen, und können eigene Literaturexzerpte, Vortragsabstracts, Manuskripte, Sonderdruckbibliotheken und Diasammlungen enthalten. Dadurch ist eine Kombination der Information gegeben, die einerseits weltweit durch die modernen Zugriffsmöglichkeiten auf kommerzielle Datenbanksysteme erhalten werden können und die andererseits im Hause vorhanden sind oder gesammelt werden sollen. Auf die Leistungsfähigkeit des Programmpaketes wird im Detail eingegangen. Dabei wird insbesondere auf die doppelte Strategie hingewiesen, nicht nur über Indexdateien einen schnellen Zugriff nach Autoren oder Schlagworten zu gestatten, wie dies üblicherweise der Fall ist, sondern auch durch semantische bzw. phonetische Suche tippfehlerbehafte Zitate auch über die Kombination von Suchbegriffen wiederzufinden.Modern possibilities of Organization and processing of literature in in-house data bases are discussed. These data bases complete the commercially available ones. They can be used to collect and organize own literature abstracts, reference lists, copies, and slides. Their use allows the combination of Information obtained by worldwide on-line research in commercial data bases and literature at home. The efficiency of the program System LITERA is discussed in detail. Special attention is directed to the double aspect used. Index files allow a very fast approach to author names and special key words as well as a semantic and phonetic search respectively. The later possibility gives the Chance to find even words, names or facts in case they are misspelled

Biosensor 2001 - a Retrospect and Foresight

This editorial gives a short retrospect of the BioSensor Symposium 2001 from the point of view of the organizing committee. The symposium was held from 1st to 3rd of April 2001 at the University of Tübingen. The conference is the only German-speaking forum of its kind and provides a unique setting for new research, trends, and perspectives to be shared with peers from both industrial and educational institutions. The new approach of publishing the conference proceedings electronically by the Universitätsbibliothek Tübingen is explained in detail and the possibilities resulting are discussed

Biosensors Paving the Way to Understanding the Interaction between Cadmium and the Estrogen Receptor Alpha

Cadmium is a toxic heavy metal ubiquitously present in the environment and subsequently in the human diet. Cadmium has been proposed to disrupt the endocrine system, targeting in particular the estrogen signaling pathway already at environmentally relevant concentrations. Thus far, the reports on the binding affinity of cadmium towards human estrogen receptor alpha (hERα) have been contradicting, as have been the reports on the in vivo estrogenicity of cadmium. Hence, the mode of interaction between cadmium and the receptor remains unclear. Here, we investigated the interaction between cadmium and hERα on a molecular level by applying a novel, label-free biosensor technique based on reflectometric interference spectroscopy (RIfS). We studied the binding of cadmium to hERα, and the conformation of the receptor following cadmium treatment. Our data reveals that cadmium interacts with the ligand binding domain (LBD) of the ERα and affects the conformation of the receptor. However, the binding event, as well as the induced conformation change, greatly depends on the accessibility of the cysteine tails in the LBD. As the LBD cysteine residues have been reported as targets of post-translational modifications in vivo, we present a hypothesis according to which different cellular pools of ERα respond to cadmium differently. Our proposed theory could help to explain some of the previously contradicting results regarding estrogen-like activity of cadmium

Charakterisierung von polyklonalen Antikörpern für die Optimierung eines Fluoroimmunossays

Drei polyklonale Antikörpern gegen Estron, Estradiol und Estrogene wurden auf die aktiven Konzentrationen und Affinitätskonstanten charakterisiert, um einen homogenen Immunoassay, basierend auf dem Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer, zu optimieren. Ein Biacore 2000, das auf dem Prinzip der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) basiert, wurde als Hilfsmittel für alle Messungen der Charakterisierung benutzt. Jeder Antikörper bindet ein bestimmtes Analytderivat, darüber hinaus sind Kreuzreaktivitäten vorhanden. Diese wurden getestet. Die aktive Konzentration jedes Antikörpers wurde mit jedem reaktiven Derivat ermittelt. Assoziations- und Dissoziationsratenkonstante zwischen Antikörpern und dem auf der Oberfläche immobilisierten Derivat wurde bestimmt. Damit konnten die Affinitätskonstanten berechnet werden. Die Affinitätskonstanten jedes Antikörpers für die drei Analyte (Estron, Estradiol und Ethinylestradiol) wurden über Inhibitionskurven ermittelt. Diese drei Typen von Messungen (aktive Konzentrationen, kinetische Ratenkonstanten und Affinitätskonstanten) wurden bei unmarkierten und bei mit Fluorophoren markierten Antikörpern gemacht. Die Markierung kann einen Einfluss auf die Antikörperaktivität zeigen: sie kann z.B. sehr stark die aktive Konzentration reduzieren. Dieser Effekt wirkt sich auf den FRET Assay aus. Da der FRET Assay kompetitiv ist, wurden der Testmittelpunkt und der Arbeitsbereich vom Verhältnis der Affinitätskonstanten von IgG/Derivat und IgG/Analyte beeinflusst. Zusätzlich spielten die Absolutwerte der Affinitätskonstanten eine Rolle. Testmittelpunkt und Arbeitsbereich waren von den gefundenen Konstanten abhängig. Die FRET Ergebnisse werden mit Hilfe der SPR Messungen diskutiert. Eine Korrelation zwischen den aktiven Antikörper Konzentrationen und der Effektivität des FRET Assays wurde für die untersuchten Antigen/Antikörper Paare gefunden

Neuer langwelliger Fluoreszenzfarbstoff zur biomolekularen Erkennung von Protein-Protein-Wechselwirkungen über den Förster-Energie-Transfer

Fluoreszenz-Bioassays dienen dem sensitiven Nachweis biomolekularer Wechselwirkungen zwischen Rezeptor und Ligand, Antikörper und Antigen oder DNA und DNA. Für den Nachweis der spezifischen Bindung von einem Protein an ein anderes eignet sich der Fluoreszenz Resonante Energie Transfer (FRET). Der Energietransfer erfolgt zwischen zwei fluoroforen Gruppen, die an das jeweilige Protein gekoppelt sind, wenn eine biomolekulare Erkennung erfolgt. Der FRET ist stark abstandsabhängig (1-10 nm) und hängt nicht wie andere homogene Nachweisverfahren (die Fluoreszenz Korrelations-spektroskopie oder die Fluoreszenz Anisotropie) vom Unterschied des Molekulargewichts ab. Das FRET-Nachweisverfahren beruht auf der Grundlage der Förster-Theorie, die einen strahlungslosen Energieübertrag eines fluoreszierenden Donor-Moleküls auf ein Akzeptor-Molekül durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen voraussagt, wenn beide Chromophore nur wenige Nanometer entfernt sind. Als eine weitere Bedingung für den Energieübertrag ist der optimale Überlapp zwischen dem Fluoreszenzspektrums des Donor-Farbstoffes und dem Absorptionsspektrums des Akzeptors. Der Donor wird im FRET-Nachweisverfahren zum Fluoreszieren angeregt. Abhängig von der Konzentration an akzeptormarkiertem Bindungspartner sinkt die Fluoreszenz des Donors und gleichzeitig steigt die Fluoreszenz des Akzeptors

Charakterisierung einer Triazin-Bibliothek mittels markierungsfreier HTS-Reflektometrischen Interferenzspektroskopie

Mittels kombinatorischer Chemie werden heute große Substanzbibliotheken organischer und bioorganischer Verbindungen hergestellt. Eine der Standardmethoden ist die Synthese an festen Phasen. Beim Screening solcher Bibliotheken auf Aktivität gegenüber einem bestimmten Target bieten solche Verfahren einen Vorteil, die die Aktivitätsbestimmung, direkt an der festen Phase erlauben und somit das aufwendige Abspalten und Aufreinigen der großen Zahl an Einzelsubstanzen von der Festphase ersparen. Zur Realisierung eines solchen Systems wurde die Festphasensynthese einer Bibliothek in modifizierten Mikrotiterplatten durchgeführt. Die Böden solcher Mikrotiterplatten bestehen aus einer dünnen SiO2-Schicht, die auf eine Glassubstrat aufgetragen wurde. Eine Modifikation der SiO2-Schicht mit funktionellen Polymeren und das Einbringen einer Ankergruppe ermöglichen die Festphasensynthese. Darüber hinaus ist die Detektion von biomolekularer Wechselwirkung der fixierten Substanzen mit den zugehörigen Targets mit Hilfe der Reflektometrischen Interferenzspektroskopie von der Plattenunterseite erlaubt. Durch die Polymerschicht wird die zur Testung notwendige Biokompatibilität gewährleistet

Ein HTS-Phosphorylierungs-Assay mittels Reflektometrischer Interferenzspektroskopie

Die Phosphorylierung ist ein übliches Verfahren zur Charakterisierung von Kinasen und geeigneten Substraten. Für die pharmazeutische Industrie sind neue Verbindungen von Interesse, die in der Lage sind, die Phosphorylierungsaktivität solcher Kinasen zu hemmen. Das Hochdurchsatzscreening hilft bei der Suche nach solchen Inhibitoren. Mit herkömmlichen Methoden wird die Menge des phosphorylierten Proteins bei einer Aktivitätsstudie durch den Einbau von radioaktivem Phosphor bestimmt. Anhand des Ausmaßes der Phosphorylierung kann auf die inhibierende Wirkung der untersuchten Substanzen geschlossen werden. Der Nachweis der Phosphorylierung mit einer markierungsfreien Methode wie der Reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) bedeuten den angestrebten Verzicht auf den Umgang mit radioaktiven Isotopen und machen die Markierung als zusätzlichen Arbeits- und Kostenpunkt überflüssig. Die Reflektometrische Interferenzspektroskopie stellt eine neuartige Methode zur markierungsfreien Messung von Interaktionen zwischen ausreichend großen Reaktionspartnern dar. Mit Ihrer Hilfe kann die spezifische Bindung an eine Sensoroberfläche über den Zuwachs der optischen Schichtdickenänderung ausreichend schnell, reproduzierbar und zuverlässig untersucht werden. Dabei besteht mit Hilfe des hier verwendeten Prototyps die Möglichkeit, in einer Mikrotiterplatte 96 Wells simultan zu vermessen und somit ein Screening von Substanzbibliotheken durchzuführen

Kinetische und thermodynamische Charakterisierung von einem monoklonalen Antikörper gegen Estradiol mit Oberflächenplasmonenresonanz

Der monoklonale anti-Estradiol Antikörper 15H11 wurde charakterisiert, um sein Bindungsverhalten zu Estradiol und verwandten Analyten aufzuklären. Das Biacore 2000, das auf dem Prinzip der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) basiert, wurde als Hilfsmittel für alle Messungen benutzt. Die Charakterisierung von Reaktivität und Kreuzreaktivität des Antikörpers sollte dazu verwendet werden, einen kompetitiven homogenen Fluoro-immunoassay zu optimieren. Zwei verschiedene Derivate wurden auf dem Transducer immobilisiert, um das 15H11 IgG spezifisch zu binden. Diese immobilisierten Verbindungen waren Derivate von Estradiol, die eine Säuregruppe in Position 6 und 7 enthielten. Das Derivat E2-7-CMO war das Immunogen, gegen das der Antikörper ursprünglich entwickelt wurde. Bei kinetisch kontrollierter Bindung der Antikörper auf der Oberfläche wurden die Assoziations- und Dissoziationsratenkonstanten für E2-6-CMO bzw. E2-7-CMO mit 15H11 bestimmt. Damit konnten die Affinitätskonstanten zwischen Derivat und Antikörper bestimmt werden. Die Messungen wurden bei Temperaturen zwischen 10 und 30 °C durchgeführt, um die thermodynamische Größen, Enthalpie und Entropie zu ermitteln, die anzeigen, welcher Typ von Kräften für die Wechselwirkungen zwischen Analyt und Antikörper entscheidend ist. Die Affinitätskonstante zwischen dem Immunogen E2-7-CMO und dem Antikörper war bei jeder Temperatur höher als die zwischen E2-6-CMO und dem Antikörper. Die Affinität war sehr stark Entropie kontrolliert, was typisch für hydrophobe Wechselwirkungen ist. Unter Massentransport-kontrollierten Bedingungen wurden die aktive Konzentration von 15H11 sowie die Inhibitionskurven mit verschiedenen Analyten bestimmt. Die aktive Konzentration wurde für verschiedene eingesetzte Konzentrationen ermittelt. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigten, daß das IgG mit zunehmender Verdünnung weniger aktiv war

Markierungsfreie Online-Detektion der Hybridisierung auf einem DNA-Chip : Detektionsmethode für den Gensensor

Die Genomforschung hat sich in den letzten Jahren verstärkt in Richtung neuer analytischer Methoden orientiert, um der großen Anzahl an notwendigen Experimenten durch parallele Ansätze zu begegnen. Der größte Entwicklungsschritt ist hierbei die Verwendung von sogenannten DNA-Chips, womit flächige Arrays aus immobilisierten DNA-Fragmenten beschrieben werden, die zu Anwendungen von der Expressionsanalytik (high density arrays) bis hin zu diagnostischen Chips (low density arrays) herangezogen werden. Die Detektion auf Arrays erfolgt in kommerziellen Geräten in der Regel fast ausschließlich durch Fluoreszenzemission von farbstoffmarkierten Oligonukleotiden an der Oberfläche. In mehreren Beispielen wurde bereits die Detektion der Hybridisierung auf markierungsfreien Biosensoren, jedoch nur in Einkanalmessungen, gezeigt, wie z.B. auf SPR (Biacore), Gitterkoppler oder RIfS (Reflektometrische Interferenzspektroskopie). Diese oberflächenbasierten Detektionsmethoden erfordern keinerlei Markierung der zu detektierenden Komponenten, d.h. es kann im Einzelfall direkt mit Extrakten oder Amplifikaten aus komplexen Matrices heraus gearbeitet werden. Der Schritt der Farbstoffmarkierung entfällt und damit entfällt auch die mögliche Beeinflussung der Wechselwirkung durch die Markierung, genauso wie die Beeinflussung der Fluoreszenzintensität an der Oberfläche durch unspezifische Quenchingefffekte oder auch Photobleaching. Im Bremer Forschungs- und Entwicklungsverbund Gensensorik wird mit dem Ziel einer industriellen Umsetzung des Gensensorik Konzeptes an einer Integration der DNA-Chiptechnologie in ein Gesamtkonzept aus Bioinformatik, biochemischer Fragestellung, Oberflächenchemie, Chipproduktion, Detektion und Datenauswertung/-bewertung gearbeitet. Im Rahmen dieses FuE Verbundeses wird die parallele und zeitaufgelöste Detektion von Hybridisierungsreaktionen an der Oberfläche mittels Reflektometrischer Interferenzspektroskopie auf das Chipformat übertragen