Biothermodynamische Charakterisierung und Analyse der Steuerungsmöglichkeiten des mikrobiellen Aufwuchsverhaltens mit neuartigen miniaturisierten Chip-Kalorimetern

• Applicant: Privatdozent Dr. Johannes Lerchner
• Subject Area: Analytical Chemistry ; Biological Process Engineering ; Microbial Ecology and Applied Microbiology
• Term: from 2006 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 24080604

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die erzielten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: 1. Mit Hilfe der im Projekt entwickelten Chip-Kalorimeter konnten erfolgreich die Wirkung von Antibiotika auf Biofilme und Biofilmauslöschungsprozesse durch räuberische Bakterien untersucht werden. 2. Der Mehrwert der Kombination von Chip-Kalorimetrie und konventionellen Biofilmuntersuchungsmethoden zeigt sich in vertieften Einsichten in den Wirkmechanismus von Antibiotika. So kann mittels Kalorimetrie noch metabolische Aktivität nachgewiesen werden, obwohl KBE-Bestimmungen auf die Auslöschung des Biofilms infolge einer Antibiotika schließen lassen. Das Auseinanderlaufen von metabolischer Wärmeleistung und ATP-Gehalt lässt Rückschlüsse auf den Grad der ATP-Regulation zu. 3. Die hervorragende Echtzeitfähigkeit der Chip-Kalorimetrie hat sich als vorteilhaft für die Untersuchung der Dynamik von Biofilmauslöschungsprozessen durch räuberische Bakterien erwiesen. 4. Eine neu entwickelte Variante eines Chip-Kalorimeters (Beads-Chip-Kalorimeter) erlaubt die Messung der metabolischen Wärmeproduktion an magnetischen Beads angelagerter Bakterien bei erhöhtem Probendurchsatz. 5. Der Miniaturisierungsgrad des Chip-Kalorimeters ermöglicht erstmals die Kombination von „Biomagnetische Separation“ und kalorimetrischer Detektion. Damit ist die Voraussetzung für eine schnelle Quantifizierung bakterieller Kontaminationen bei niedrigen Zellkonzentrationen gegeben. 6. Mit dem entwickelten Beads-Chip-Kalorimeter wurde erstmals die inhibierende bzw. inaktivierende Wirkung von Silber-Nanopartikeln auf Biofilme untersucht, die an Beads kultiviert wurden. 7. Am Beispiel der untersuchten Beads-Biofilme konnte gezeigt werden, dass die kalorimetrische Detektion von Biofilmaktivitäten insbesondere in stark inhomogenen Proben Vorteile gegenüber traditionellen Methoden wie CV-Assay und CFU-Messung hat.

Publications

• 2010. Chip calorimetry for fast and reliable evaluation of bactericidal and bacteriostatic treatments of biofilms. Antimicrob. Agents Chemother., 54, 312-319
  Buchholz, F., Wolf, A., Lerchner, J., Mertens, F., Harms, H., Maskow, T.
  
• 2011. Potentials and limitations of miniaturized calorimeters for bioprocess monitoring. Appl. Microbiol. Biotechnol.,92: 55-66
  Maskow, T., Schubert, T., Wolf, A., Buchholz, F., Regestein, L., Buechs, J., Mertens, F., Harms, H., Lerchner, J.
  
• 2012. Chip calorimetry & Biomagnetic separation: Fast Detection of bacterial contaminations at low cell titers. Eng. Life Sci.
  Lerchner, J., Schulz, A., Poeschel, T., Wolf, A., Hartmann, T., Mertens, F., Boschke, E.
  
• 2012. Chip-calorimetry provides real time insights into the inactivation of biofilms by predatory bacteria. Biofouling, 28, 351-362
  Buchholz, F., Lerchner, J., Mariana, F., Kuhlicke, U., Neu, T., Harms, H., Maskow, T.