Mikroorganismen im kompartimentierten Fluss – oder: „Was macht die Zelle in dem Tropfen?“

Mikroorganismen im kompartimentierten Fluss – oder: „Was macht die Zelle in dem Tropfen?“

Veröffentlicht am 24.10.2019 , Schlagwörter: #CETONIacademy, Hardware

Als Sir Alexander Fleming 1928 das Penicillin entdeckte, da war das eher ein Zufall. Er hatte eine Bakterienkultur im Labor vergessen und stellte später fest, dass darauf ein Schimmelpilz gewachsen war, der sich die Bakterien in seiner Umgebung „vom Leib halten“ konnte. Für einen Forscher wie Fleming lag es nahe, herauszufinden, wie dieser Pilz das macht, und den Wirkstoff, den er dazu produziert, zu extrahieren.

Mithilfe des Penicillins war es möglich, bakteriologische Infektionen zu heilen, an denen zuvor viele Menschen – verursacht oft nur durch eine kleine blutende Wunde mit Verunreinigungen – gestorben waren. Doch die Entdeckung und auch der erste massenhafte Einsatz von Penicillin ist lange her. Im Laufe der Jahre wurden weitere antibiotisch wirksame Substanzen gefunden und genutzt. Mittlerweile ist die Menschheit aber an einem Punkt angekommen, wo dringend ganz neue Wirkstoffe benötigt werden, da verschiedene Bakterienstämme Resistenzen gegen die bekannten Antibiotika entwickelt haben und sich mit diesen nicht mehr bekämpfen lassen.

Fleming kommentierte seine Entdeckung einmal mit den Worten: „Manchmal findet jemand etwas, wonach er gar nicht gesucht hat.“ Aber längst ist es an der Zeit, aktiv nach solchen neuen Wirkstoffen zu suchen und nicht auf den Zufall zu hoffen. Aber wo suchen? Im Boden! Ein Kubikzentimeter Boden enthält in etwa eine Milliarde Lebewesen. Könnte man die verschiedenen enthaltenen Spezies alle kultivieren und untersuchen, dann stünden die Chancen, einen oder gar mehrere erfolgversprechende Kandidaten zu finden, gar nicht so schlecht. Ausgebracht auf eine Agarplatte (Petrischale mit Nährmedium) vermehren sich die Mikroorganismen und bilden Kolonien – allerdings verhindern einige wenige schnellwachsende Spezies, dass viele sich langsamer vermehrende Organismen zum Zuge kommen – diese werden unterdrückt und können somit nicht charakterisiert werden. Im Boden können sie existieren, offenbar weil sie dort entsprechende Nischen besetzen. Also muss man ihnen auch für die Kultivierung eine Nische anbieten.

Petrischalen

Und hier kommt die Mikrofluidik ins Spiel: Ein wunderbares Tool aus dem mikrofluidischen Werkzeugkasten ist der kompartimentierte Fluss (engl. segmented flow), welcher in Mikroreaktoren mit kleinen Kanälen (Durchmesser 100…200 µm) erzeugt wird. Hierbei wird in einen Trägerstrom einer unpolaren Flüssigkeit („Öl“) an einem Kreuzungspunkt eine zweite, polare Flüssigkeit („Wasser“) hinzudosiert. Da sich die beiden nicht mischen, reißen einzelne Wassertropfen ab und schwimmen im Ölstrom mit. Und zwar mit sehr definierten und gleichbleibenden Tropfengrößen, -abständen, und jeweils voneinander getrennt durch das Öl. In kürzester Zeit lassen sich große Mengen solcher Tropfen erzeugen, und hat man als Wasser den Bodenaufschluss in der richtigen Konzentration (verdünnt) verwendet, dann befinden sich in jedem Tropfen nur ein einzelner oder ganz wenige Organismen – in ihrer eigenen Nische, wo sie sich möglicherweise vermehren und eine Kultur bilden können. Perlenschnurartig aufgereiht in einer Spule aus dünnem Schlauch lassen sie sich gut in einen Inkubator verbringen, in dem die geeigneten Kulturbedingungen herrschen.

QmixElements Droplets

Für die definierte Erzeugung solcher kompartimentierter Flüsse in solch kleinen Strukturen werden hochpräzise, pulsationsfreie und gut steuerbare Pumpen benötigt – wie die Niederdruck-Spritzenpumpe neMESYS 290N von CETONI. Dank ihrer hervorragenden Dosiereigenschaften können in geeigneten Mikroreaktoren auch noch Substanzen (z.B. Nährstoffe) in die einzelnen Tröpfchen hineindosiert sowie eine Detektion der Trübung und ein Sortieren und gezieltes Ausschleusen von erfolgversprechenden Tröpfchen durchgeführt werden. Die zugehörige Software QmixElements sorgt dabei für eine komfortable und intuitive Bedienung durch den Anwender. Vielleicht wird man mit dieser Methode eines Tages fündig. Es ist zwar wie die berühmte Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen, aber durch mikrofluidische Methoden und hochwertige Gerätetechnik wird diese Suche miniaturisiert und automatisiert ermöglicht.