Elektrooptik bakterieller Suspensionen
Die von EloTrace verwendeten schwachen elektrischen Wechselfelder interagieren schonend mit den Ionen an dem Zytoplasma und der Membran lebender Zellen. Sie induzieren eine reversible Ladungsverschiebung, die zu einer minimalen Kraftwirkung (Drehmoment) auf jede einzelne Zelle führt. Die leichte feldinduzierte Orientierung aller Zellen wird durch richtungsabhängige, photometrische Sensoren gemessen.
Mit EloTrace werden in einem Messvorgang zwei unabhängige Parameter von Bakterienzellen abgeleitet, die den aktuellen physiologischen und morphologischen Zustand wiedergeben:
• Polarisierbarkeit (physikalischer Begriff „Anisotropie der Polarisierbarkeit“) von elektrischen Ladungen im Zytoplasma-Membran Bereich, s.g. AP-Werte
• Zellgröße von Bakterien mit typischer länglicher Zellmorphologie
AP- Level
Das physikalische Messprinzip beruht auf der Polarisierbarkeit von elektrischen Ladungen/Ionen an der intakten Zellmembran (s.g. Maxwell-Wagner Effekt). Die Einheit von AP ist Kapazität [F] pro Fläche [m²]. Die Kapazität ist bildlich als Maß für Menge und Art der Verschiebung von zytoplasma-assoziierten Ladungen, die durch das angelegte elektrische Feld bewegt werden. Der AP-Level ist unmittelbar mit dem intrazellulären Pool von Ionen (freie Ionen und geladenen metabolischen Intermediaten) verbunden, der an den aktuellen Stoffflüssen und dem Energiestatus der Membran beteiligt ist. Bei Bakterienzellen spiegeln die AP-Werte u.a. die aktuellen "metabolic pathways", "pathway capacity" und Energiestatus der Zelle wieder. Die Messergebnisse entsprechen dem Status einer Durchschnittszelle. Eine Normierung auf Biomasse oder Zellgröße, um die spezifischen Werte abzuleiten, fällt aus.Die Aufhebung von Inhibierungen/Limitierungen, erhöhte Substrataufnahme, aktiver Transport, Enzym- und Proteininduktion (stressbedingt oder gezielt durch Induktion) beschleunigen den Ablauf von intrazellulären biochemischen Reaktionen. Das Membranpotential ist direkt an diese Reaktionen gekoppelt. Die aktuellen Konzentrationen der, an diesen Vorgängen beteiligten Ionen nehmen zu und erzeugen einen hohen AP-Level. So sind auch ruhende Zellen mit einem hohen Energielevel (intakte Transportsysteme, nicht toxisch belastet, stabile Protongradienten) durch erhöhte AP-Werte zu erkennen. Solche Zellen weisen ein exzellentes Potential für Wachstum und Produktion auf.
Nicht optimale pH Bereiche, Verringerung der Substrat- oder O2-Aufnahme, Schädigung oder „Depolarisierung“ der Zellmembranen führen zu einer Absenkung des AP-Levels.
Zellgröße, -länge
Die in EloTrace verwendete Messmethode ist speziell für Bakterienzellen mit einer Länge von 0,7 - 12 µm und typischer länglicher Zellmorphologie angepasst. Durch die automatisierte Messung und hohe Empfindlichkeit des angewandten Messprinzips (Relaxaktionserfassung von länglichen Partikeln in wässrigen Medien) wird bei den Bakterienzellen eine Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erreicht, die den bekannten Methoden weit überlegen ist.Die Kenntnisse über die Änderung der Zellgröße sind essentiell, da die Änderungen/Anpassungen des Zellvolumens an Umweltbedingungen und intrazelluläre Vorgänge ebenso in die Regulationsmechanismen von Bakterien involviert sind. Die Zellgröße liefert wertvolle Informationen über zellinnere Osmolarität, Zellteilung, stressbedingte Streckung oder Erschöpfung der Zellen und gehört zu einem wichtigen Qualitätsparameter einer Bakterienkultur. Beispiele für wachsende und gestresste E. coli, C. glutamicum, L. plantarum, B. subtilis, Listeria innocua, Salmonella und andere Arten sind vorhanden.
Unseren Daten zeigen das Potential der elektrooptischen Analyse als neues Werkzeug für
Monitoring und Verständnis der Kulturentwicklung. Unsere Erkenntnisse mögen außerdem
die weit bekannten Schwankungen in der Ausbeute biotechnologischer Prozesse erklären.
Das elektrooptische Monitoring gibt die Gelegenheit, schnelle Messungen komplexer Kulturparameter
für die Prozesskontrolle zu nutzen. Die Überwachung fundamentaler Punkte der Kulturentwicklung
und die Definition neuartiger Pass-Fail-Kriterien kann die Effizienz der Etablierung
von Fermentationen und deren industriellen Nutzung erhöhen.