Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben eine innovative computergestützte Methode zur Entwicklung von Biosensoren geschaffen, die das Potenzial hat, die Überwachung von Eisen in lebenden Zellen maßgeblich zu verbessern. Der neu entwickelte Biosensor, benannt als „IronSenseR“, ist in der Fachzeitschrift ACS Sensors veröffentlicht worden. Die zugrundeliegende Methode zur Biosensorentwicklung trägt den Namen „CoBiSe“ (Computational Biosensor Design) und verspricht ein schnelles Design sowie die Herstellung genetisch kodierter Fluoreszenz-Biosensoren.
Eisen spielt eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel lebender Organismen. Als essentielles Spurenelement ist es für die Zellatmung und die Reaktionen von Mikroben auf Stress unverzichtbar. In biologischen Systemen kann Eisen in zwei Formen vorkommen: Eisen-II (Fe²⁺) und Eisen-III (Fe³⁺). Der „IronSenseR“ erkennt spezifisch Eisen-II mit hoher Sensitivität, während er unempfindlich gegenüber Eisen-III und anderen zweivalenten Metallionen ist. Dies macht den Sensor besonders wertvoll für die Forschung in mikrobiellen Systemen, in denen die präzise Erkennung von Eisen entscheidend ist.
Entwicklung und Einsatz des IronSenseR
Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche Anwendungsstudien in Kooperation mit verschiedenen Professoren und dem Center for Advanced Imaging (CAi) durchgeführt. „IronSenseR“ wurde erfolgreich in unterschiedlichen bakteriellen Systemen wie Escherichia coli, Pseudomonas putida und Corynebacterium glutamicum eingesetzt. Die Publikation, die die Ergebnisse zusammenfasst, trägt den Titel: „A Novel Biosensor for Ferrous Iron Developed via CoBiSe: A Computational Method for Rapid Biosensor Design“ und wurde von Athanasios Papadopoulos und einem Expertenteam verfasst.
Die Methode „CoBiSe“ nutzt Constraint Network Analysis, um optimale Einfügeorte für Reporter-Module in molekularen Erkennungselementen zu identifizieren. Dies erleichtert die Entwicklung der Biosensoren erheblich, indem es aufwändige und zeitintensive Screeningprozesse erhebt. Insbesondere wurde am eisenbindenden Protein DtxR aus Corynebacterium glutamicum gearbeitet, was zur Identifizierung einer flexiblen Verbindungsschleife für die Anwendung des Reporter-Moduls führte.
Innovationen mit Computergestützten Biosensoren
Computational Biosensors, wie der „IronSenseR“, nutzen biologische Erkennungselemente und algorithmische Ansätze zur Analyse biologischer Informationen. Diese Technologien bieten nicht nur Echtzeitdaten, sondern auch wertvolle Einblicke für Fachleute im Gesundheitswesen. Indem sie das Prinzip der sensorischen Reaktion auf biologisch relevante Moleküle kombinieren, ermöglichen sie eine präzise Signalwandlung und -analyse.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind bedeutend für die Diagnose von Krankheiten, die Überwachung von metabolischen Dynamiken und die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze. Insbesondere in der medizinischen Forschung könnten diese Biosensoren dazu beitragen, biochemische Prozesse in Echtzeit zu erfassen und somit die Behandlung individueller Gesundheitszustände zu optimieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der neu entwickelte „IronSenseR“ nicht nur als ein bedeutender Fortschritt im Bereich der Biosensorik gilt, sondern auch als vielversprechendes Werkzeug für die zukünftige Forschung im Mikrobiom und der medizinischen Diagnostik einsetzen lässt.