Biochip-Funktionalisierung und Hydrogel-Mikropartikel Funktionalisierung für Biosensor-Testkit für Glyphosat und dessen Abbauprodukt Aminomethyl-Phosphonsäure

Abstract

Umwelt und menschliche Gesundheit sind zunehmend durch die Anwendung einer Fülle von anthropogenen Chemikalien wie Pestiziden, Hormonderivate oder Antibiotika gefährdet. Ziel des Verbundprojekts SoftKollP war es, eine quantitative Technologie-Plattform für die hochsensitive Vor-Ort-Analyse von anthropogenen Analyten in Boden, Wasser und Lebensmitteln zu entwickeln. In Voruntersuchungen durch die Universität Leipzig wurde im Labormaßstab ein Nachweisverfahren für das kritisch diskutierte Herbizid Glyphosat entwickelt. Aufbauend auf diese Forschungsergebnisse sollte zusammen mit den beiden Firmenpartnern Hiss Diagnostics GmbH und Ectica Technologies AG anhand eines Nachweises für Glyphosat die Hydrogel-Mikropartikel-basierte Technologie (auch soft colloidal probes (SCP) genannt) für eine nachfolgende Produktentwicklung und Markteinführung entwickelt und perspektivisch als Plattform-Technologie weiterentwickelt werden. Im Projekt sollten durch die Projektpartner folgende Punkte adressiert werden: 1) Konzeptionalisierung für das Glyphosat-Test-Kit, 2) Technologieentwicklung des Test-Kits, 3) Hydrogel-Mikropartikel-Prototyp-Testung, 4) Stabilitäts- und Lagerungsanalysen, 5) Validierung und Optimierung der Test-Kit-Technologie sowie zum Projektende die Vorbereitung der Implementierung einer Produktionslinie und des Markteintritts. Im Teilprojekt der Universität Leipzig sollten dabei neue und robuste Konzepte zur Präparation der Biochips entwickelt werden, die die Etablierung chemischer Oberflächenmodifizierungen und die nachfolgende Immobilisierung von Analyt-Bindungspartner, dem natürliche Zielenzym des Glyphosats - die 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphatsynthase, beinhalten. Der Biochip sollt außerdem für Nachweis von AMPA, einem Abbauprodukt des Glyphosats, erweitert werden. Ebenfalls sollte die Universität Leipzig mittels im Labor etablierter Methoden Hydrogel-Mikropartikel bereitstellen, um den Entwicklungsprozess des Assay-Kits durch die Firma HiSS Diagnostics zu unterstützen. Zudem sollte die Universität Leipzig die Firma Ectica Technologies bei der Entwicklung und Implementierung eines Herstellungsverfahrens von Hydrogel-Mikropartikeln für die industrielle Produktion unterstützen. Für beide Firmenpartner sollten etablierte Analyseverfahren der Universität Leipzig für die notwendigen Qualitätskontrolle der Biochips und Hydrogel-Mikropartikel durchgeführt und für die nächste Phase der Produktentwicklung vorbereitet werden. Zudem sollte die Universität Leipzig zusammen mit der Firma HiSS Diagnostics in der Validierungsphase geeignete Hersteller für die Chip-Produktion evaluieren und die Assay-Kit-Komponenten auf der Grundlage der Vorversuche testen. In dem Verbundvorhaben SoftKollP konnten die beiden geplanten Meilensteine gemeinsam durch die Projektpartner erreicht werden. Damit liegen folgende Ergebnisse vor: Die Konzepte und Technologien für die Produktion der Komponenten, deren Assemblierung und der Testabläufe wurden erarbeitet und in einen Demonstrator-Status überführt. Der Demonstrator wird aktuell an Realproben getestet. Das Test-Kit konnte hinsichtlich Synthese der Hydrogel-Mikropartikel, Biochip-Funktionalisierung und Assemblierungstechnologie optimiert werden und Test- und Lagerungsbedingungen sind definiert. Somit sind für die neue Assay-Technologie alle Bestandteile und Arbeitsschritte zur Herstellung des Biochips (kovalente Anbindung des Analyt-Bindungspartners 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphatsynthase auf Glas-Chips mittels chemischer Kopplung) und der Hydrogel-Mikropartikel (mikrofluidische Synthese auf Basis von sternförmigen Polyethylenglykol und Linker-basierte kovalente Kopplung des Interaktionspartners Glyphosat) entwickelt. Die Lagerungsbedingungen für Biochip und Hydrogel-Mikropartikel werden aktuell unter den definierten Bedingungen in Langzeituntersuchungen weiterverfolgt. Der Einsatz des Assays mit den neu entwickelten Komponenten als Demonstrator im Labormaßstab wurde erfolgreich getestet. Damit wird aktuell die Produktentwicklung vorbereitet, sodass bald Kleinserien zur Verfügung stehen werden, welcher in unterschiedlichen Anwendungsszenarien getestet werden soll. Insgesamt liegt durch die Ergebnisse des Verbundprojekts nun eine neue Technologie für den schnellen, preiswerten Vor-Ort-Glyphosat-Nachweis vor. Die durchgeführten Marktrecherchen belegen eine breite Anwendbarkeit und Interesse von Kunden in verschiedenen Märkten. Mit nur sehr wenigen ähnlichen Produkten auf dem Markt, welche auch deutliche Handhabungsnachteile aufweisen, gibt es für die neue Technologie gute Marktchancen, weswegen aktuell an der Produktentwicklung gearbeitet wird. Für die Produktion und weitere Assay-Entwicklung wird zudem eine Ausgründung der Universität Leipzig als relevante Option diskutiert und es sind F&E-Folgeprojekte zur Erweiterung der Anwendung der Technologie auf andere anthropogene Analyte geplant.