Biohybride DNA:Metall-Quantencluster basierte Sensor-Plattformtechnologie

Neuartige Sensorkonzepte wie Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologien ermöglichen die Detektion und Quantifizierung von Analyten auch in Laboren mit einfacher Grundausstattung und wenig geschultem Personal. Heutzutage sind diese Technologien wichtige und leistungsfähige Diagnosewerkzeuge im Gesundheitswesen und werden zunehmend auch im industriellen Umfeld der Bioökonomie eingesetzt. Die derzeitige LOC-Technologie ist jedoch keine All-in-One-Lösung, da sie nicht den Nachweis mehrerer Analyten erlaubt und Limitierungen in Bezug auf Kosten, Empfindlichkeit, einfache Handhabung und Haltbarkeit aufweist. Im Projekt BioQuant sollen die bestehenden Limitierungen aktueller Biosensoren überwunden werden, indem eine neuartige Klasse biologischer Nanomaterialien – DNA-stabilisierte Metallquantencluster (QC:DNA) - mit Mikrofluidik kombiniert werden, um die nächste Generation von LOC-basiertenTechnologien für industrielle Anwendungen zu entwickeln.

Um dieses Ziel zu erreichen, soll in Bioquant durch die transdisziplinäre Expertise der Partner in den Bereichen der Molekularbiologie, Quantenphysik, Chemie und Ingenieurwesen, eine einzigartige Technologieplattform auf Basis von Metall-DNA-Kompositmaterial entwickelt werden, welche ultrasensitive Nachweisverfahren im industriellen Umfeld ermöglicht. Das Projekt kombiniert:

 

1) maßgeschneiderte QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften als empfindliche, schnelle und kostengünstige Sensoren für verschiedene Anwendungen mit optimierter Zielspezifität;

2) fluoreszenzbasierte Auslesesysteme für Multiplexanwendungen; und

3) mikrofluidische LOC-Geräte mit oberflächenimmobilisierten oder schwimmenden QC:DNAs zur Maximierung der Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Zielmoleküldetektion in Lösung

 

Um das industrielle Potenzial der BioQuant-Technologie zu demonstrieren, wird sich das Projekt auf die Detektion verschiedener Gruppen von Analyten konzentrieren, die wichtige Produktverunreinigungen in biotechnologischen und industriellen Prozessen darstellen: Toxine in Lebens- und Futtermitteln sowie anthropogene pharmazeutische Rückstände in Wasser. Die ehrgeizige langfristige Vision des Projekts ist es, verschiedene Moleküle mit Hilfe eines miniaturisierten tragbaren Geräts, das für Anwendungen wie Umwelt- und Lebensmittelanalytik sowie Point-of-Care (PoC)-Diagnostik geeignet ist, aufzuspüren, um eine schnellere und kostengünstigere, empfindlichere, zuverlässigere und bequemere Multiplex-Detektion von Analyten wie Toxinen, Krankheitserregern und  Prozessverunreinigungen im Vergleich zu bestehenden Methoden und Technologien zu erreichen.


Arbeitsschritte: Um das Vorhabensziel zu erreichen, sind folgende Arbeiten geplant: (1) Design und Entwicklung von maßgeschneiderten QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften, bestehend aus DNA und Metallionen für den spezifischen Nachweis von zwei repräsentativen Klassen von Analyten: Toxine und
Arzneimittelrückstände. (2) Engineering von QC:DNAs mit ausgewählten Biomolekülen zur Verbesserung ihrer Bindungseigenschaften für eine optimale Target-Detektion. (3) Immobilisierung der fein abgestimmten funktionalen QC:DNAs auf vorfunktionalisierten Chipoberflächen. (4) Integration der funktionalisierten QC:DNAs in ein mikrofluidisches Gerät für die Online/Inline-Analytik und (5) Demonstration der schnellen und hochspezifischen Detektion von Analyten in einem tragbaren biohybriden, mikrofluidischen System im Labormaßstab.

Abbildung 1: QC:DNA-Technologie für fortschrittliche Biosensoranwendungen. (1) QC:DNA besteht aus kurzen DNA-Sequenzen, die einen angehängten Cluster aus 6-15 Metallionen oder -atomen stabilisieren. Das QC:DNA-Design ermöglicht die Selbstorganisation von Metallionen auf DNA-Strängen. Die QC:DNA interagiert mit Licht basierend auf elektronischen Übergängen zwischen Energieniveaus und kann als optischer Emitter fungieren. (2) Die Variation der DNA-Struktur oder die Funktionalisierung mit Biomolekülen (z. B. Antikörper, Peptide, Aptamere) ermöglicht die spezifische Detektion von Analyten. (3) Die Bindung der QC:DNA an das Zielmolekül verändert bei Anregung mit einer definierten Wellenlänge den Energiezustand und erzeugt eine spezifische Emissionswellenlänge. QC:DNA kann in LOC-Technologie wie mikrofluidische Geräte integriert werden, um Biosensoren der nächsten Generation herzustellen.

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Consistent Evaluation Methods for Microfluidic Mixers

Blaschke, Oliver; Kluitmann, Jonas; Elsner, Jakob; Xie, Xie; Drese, Klaus Stefan (2024)

micromachines 15 (11), 1312.
DOI: 10.3390/mi15111312


Open Access Peer Reviewed
 

The study presents a unifying methodology for characterizing micromixers, integrating both experimental and simulation techniques. Focusing on Dean mixer designs, it employs an optical evaluation for experiments and a modified Sobolev norm for simulations, yielding a unified dimensionless characteristic parameter for the whole mixer at a given Reynolds number. The results demonstrate consistent mixing performance trends across both methods for various operation points. This paper also proposes enhancements in the evaluation process to improve accuracy and reduce noise impact. This approach provides a valuable framework for optimizing micromixer designs, essential in advancing microfluidic technologies.

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Droplet Based Platform for the Detection of Environmental Pollutants with Fluorescent DNA Quantum Clusters

Kluitmann, Jonas; Drese, Klaus Stefan (2024)

Posterpräsentation auf der EuroMBR Microfluidics Catanzaro, September 2024 .



Schnelle und Robuste Experimentelle Evaluationsmethoden für Mikrofluidische Mischer

Kluitmann, Jonas; Blaschke, Oliver; Elsner, Jakob; Drese, Klaus Stefan (2024)

Posterpräsentation auf der iCampus Cottbus Conference ICCC2024, Mai 2024.



Fast and Robust Experimental Evaluation Methods for Mi-crofluidic Mixers

Kluitmann, Jonas; Blaschke, Oliver; Elsner, Jakob; Drese, Klaus Stefan (2024)

, 195-198.
DOI: 10.5162/iCCC2024/P25


Open Access
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Versatile platform for mobile detection of environmental pollutants using DNA Quantum Clusters

Kluitmann, Jonas; Drese, Klaus Stefan (2024)

Vortrag auf dem 12th Workshop of Chemical and Biological Micro Laboratory Technology CBM2024 in Ilmenau, März 2024.


 

Environmental pollution is an ever-growing concern. Industrial sites as well as agricultural use areas can bear immense harmful burdens. Unintentionally improperly disposed of wastes as well as illegally dumped chemicals pose additional risks in the environment, while remains of pharmaceuticals are a regular concern in sources of drinking water. Pollutants such as PFAS and microplastics could even be detected in the most remote regions of the earth and are known for adverse effects on humans and their environment. Establishing a comprehensive overview of where pollution of which severity and with what substances occurs is thus important, so remediations can be planned and prioritized. This necessitates fast, versatile, reliable and cheap measurements, ideally directly at sampling sites.

A promising class of transducers for detecting a multitude of pollutants are DNA Quantum Clusters. QC:DNA are highly sensitive and selective transducers for many substances, showing responses in their fluorescent behaviors based on their chemical environment. Based on the specific design, QC:DNA can interact with different chemical species and exhibit tuned excitation and emission wavelengths.

For the use of such transducers, we present a fluorescence reader integrated around capillaries. The system is designed for easy and fast customization for a large range of excitation and emission wavelengths while focusing on system portability and striving for affordability. The microfluidic system controlling and performing the assay is based on droplet sequences to facilitate fast mixing while allowing for incubation times with minimal dispersion and enabling a temporary storage and a precise processing of samples.



Projektleitung


Projektmitwirkung

Jonas Kluitmann
T +49 9561 317 743
Jonas.Kluitmann[at]hs-coburg.de

ORCID iD: 0000-0002-9600-5599

Projektdauer

01.10.2021 - 30.09.2024

Projektförderung

Förderprogramm

Bundesministerium für Bildung und Forschung - Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie

Adressierte SDGs (Sustainable Development Goals)