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Mikrofluidik

Künstliche Intelligenz sortiert Pikoliter Tröpfchen mit Bakterien

| Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Mit der Tropfen-Mikrofluidik können Mikroorganismen zahlreich, schnell und mit wenig Platzbedarf kultiviert werden. Von Nachteil ist, dass die verwendeten Tröpfchen nicht unterscheidbar sind.

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Mithilfe von Kunststoffkügelchen und Künstlicher Intelligenz haben Wissenschaftler eine Methode entwickelt, pikolitergroße Tröpfchen zu sortieren.
Mithilfe von Kunststoffkügelchen und Künstlicher Intelligenz haben Wissenschaftler eine Methode entwickelt, pikolitergroße Tröpfchen zu sortieren.
(Bild: ©SITTIPONG – stock.adobe.com/ [M] MHerkersdorf)

Die Tropfen-Mikrofluidik ist ein Meilenstein in der Kultivierung und Erforschung von Mikroorganismen. Ihr Prinzip beruht auf der Unvermischbarkeit zweier Flüssigkeiten. Eine ölige und eine wässrige Flüssigkeit werden in einem winzigen Kanalsystem miteinander in Kontakt gebracht. Dabei umschließt die ölige Flüssigkeit die wässrige und es bilden sich kleinste Tröpfchen von etwa 200 Pikoliter Volumen. Mithilfe eines Helfermoleküls wird eine erneute Verschmelzung der einzelnen Tröpfchen verhindert. So dienen die Tröpfchen als winzige Bioreaktoren, die jeweils mit einer Bakterienzelle beimpft werden können. Damit erhält man große Mengen an Reinkulturen für die Suche nach neuen Mikroorganismen oder Wirkstoffen. Neben dem geringen Platzverbrauch ist diese Methode kostengünstig und funktioniert im Hochdurchsatz – also sehr schnell. Dadurch ist die Mikrofluidik in der Lage etwa die Suche nach neuen Antibiotika zu beschleunigen.

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Tröpfchen nach Bakterienart sortieren

„Die Mikrofluidik hat viele Vorteile“, sagt Dr. Miguel Tovar vom Biotechnikum des Leibniz-HKI. „Aber bei mitunter wochenlanger Kultivierung kommen die Tropfen durcheinander, sodass wir keinen Überblick mehr haben, welches Bakterium in welchem Tropfen ist“, so Tovar weiter. Um dieses Problem zu lösen, zogen sie die Expertise der Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie hinzu, die mithilfe Künstlicher Intelligenz ein System entwickelte, das die Tröpfchen nach Bakterienart oder experimentellen Bedingungen sortieren kann.

„Dazu haben wir zu den Tropfen kleine Kunststoffkügelchen in verschiedenen Farben und Kombinationen hinzugegeben“, erklärt Dr. Oksana Shvydkiv, verantwortlich für die Durchführung dieser Experimente am Biotechnikum. Diese in der Fachsprache Beads genannten Kügelchen codieren die Tröpfchen und deren Inhalt. „Eine Kamera erstellt ein Bild von jedem Tropfen, der durch den Kanal wandert. Anhand dieses Bildes analysiert ein Computer die Farben, um die Tröpfchen danach identifizieren und sortieren zu können“, fügt Dr. Carl-Magnus Svensson von der Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie hinzu.

Tests parallel durchführen

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler führten zwei Experimente durch, um das Konzept zu testen und zu bestätigen. Im ersten Experiment fügten sie den Tropfen verschieden hohe Konzentrationen an Antibiotika hinzu und sortierten die Tröpfchen farblich kodiert. Dabei wurde immer eine Farbe oder Farbkombination für eine bestimmte Antibiotikadosierung verwendet. Das Ergebnis bestätigte die Annahme: Mithilfe der Mikrofluidik und der Farbcodes der Kügelchen können solche und vergleichbare Tests in Zukunft parallel durchgeführt werden. Das zweite Experiment führte das Team an einem antibiotikaresistenten Keim durch. Dabei testeten sie neun verschiedene Antibiotika. Von diesen erwiesen sich nur drei als wirksam. Wieder hatte die Zuordnung zu Gruppen nach Farbcodes funktioniert.

„Es ist für uns als Theoriegruppe sehr erfreulich, dass wir unsere Kollegen im Biotechnikum unterstützen können“, sagt Figge. Aktuell arbeiten er und seine Abteilung daran, verschiedene Fehlerquellen auszumerzen. In wenigen Fällen erkennt der Computer etwa die Farben der Beads nicht exakt und ordnet sie deshalb falsch zu. Auch die Anzahl an Farbkombinationen ist aus diesem Grund begrenzt. „Dennoch denke ich, dass wir etwa hundert verschiedene Farbkombinationen anwenden können“, sagt Svensson.

Campus vereint Kompetenz

„Mikrofluidische Systeme erhöhen die Trefferzahl bei mikrobiologischen Suchverfahren, da sie in kurzer Zeit enorme Probenmengen durchsetzen können. Dies gelingt jedoch nur mit ausgefeilten optischen Technologien und einer sehr leistungsfähigen Datenverarbeitung. Im Leibniz Science Campus Infecto Optics sind all diese Kompetenzen vereint. Wir leisten damit einen wichtigen Beitrag für den neuen Jenaer Exzellenzcluster Balance of the Microverse. Dieser widmet sich der Dynamik und Regulation komplexer Mikrobengemeinschaften, den sogenannten Mikrobiomen. Die Mikrofluidik wird dazu beitragen, solche Mikrobiome und ihren Beitrag zur Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen besser zu verstehen“, sagt Figge, der die Professur für Angewandte Systembiologie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena innehat.

Originalpublikation:

Svensson CM, Shvydkiv O, Dietrich S, Mahler L, Weber T, Choudhary M, Tovar M, Figge MT, Roth M (2019) Coding of experimental conditions in microfluidic droplet assays using colored beads and machine learning supported image analysis. Small 15(4), e1802384.

Ergänzendes zum Thema
Mikrobielle Diversität als Quelle für neue Naturstoffe

Das Biotechnikum des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut – widmet sich der Entwicklung und Optimierung Bioprozessen, mit denen neue von Mikroorganismen gebildete Wirkstoffe entdeckt, erforscht und zur Anwendung gebracht werden können. Das Verfahrensspektrum reicht dabei von mikrofluidischen Screening-Systemen für den Ultra-Hochdurchsatz bis zu Fermentationen im Pilotmaßstab von 4,5 m³ Arbeitsvolumen.

Man geht heute davon aus, dass höchstens 5 Prozent aller in der Natur vorhandenen Mikroorganismen einer Erforschung im Labor zugänglich sind. Die weitaus größere Menge ist unter Standard-Bedingungen nicht kultivierbar oder wird von schneller wachsenden Arten verdrängt. Die bislang kaum erschlossene mikrobielle Diversität ist eine praktisch unerschöpfliche Quelle für neue Naturstoffe, die im Laufe der Evolution für bestimmte biologische Aktivitäten optimiert wurden.

Mit neuen Ultrahochdurchsatz-Technologien wollen die Forscher des HKI die Vielfalt der Mikroorganismen besser erschließen und bestehende Hürden bei der Suche nach neuen Wirkstoffen überwinden. Sie nutzen dafür die tropfenbasierte Mikrofluidik, die eine massenhafte Kultivierung einzelner Mikroorganismen in Tropfen von wenigen Pikoliter Volumen erlaubt und eine Prüfung dieser Mikrokulturen auf die Bildung neuer Antibiotika ermöglicht.

Die Wissenschaftler verwenden wässrige Tröpfchen, die durch eine Ölphase voneinander getrennt sind, als miniaturisierte Kulturgefäße für Reinkulturen von Bakterien und Pilzen. Um zu erkennen, welche Stämme unter den gewählten Bedingungen gewachsen sind, verwendeten sie fluoreszierende Marker. Mit der Technologie können innerhalb einer Stunde bis zu neun Millionen einzelne Zellen aus ihrem natürlichen Lebensräum isoliert und auf Tröpfchen verteilt werden. Dadurch wird der Wettbewerb um Nährstoffe oder Raum zwischen den Mikroben verhindert, so dass auch langsam wachsende Arten wachsen können. Die Tröpfcheninkubation kann über Monate hinweg bei ausreichender Sauerstoffversorgung erfolgen.

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