Entwicklung einer automatisierten Robotik-unterstützen Bildgebungsroutine zur Überwachung von bakteriellem Wachstum in Echtzeit unter Aufnahme dreidimensionaler Datensets mit einer Auflösung im Mikrometerbereich.

Bakterien können entweder als Einzelzellen suspendiert in Lösung leben oder als Verbund, welcher als Biofilm bezeichnet wird. Tatsächlich sind Biofilme die häufigste Wachstumsform von Bakterien in der Natur. In der Umwelt nehmen wir Biofilme z.B. als glitschige Schicht auf Steinen in Seen oder Flussläufen oder in den Ablussrohren unserer Wohnungen und Häuser wahr. Insbesondere aufgrund ihrer Robustheit werden Biofilme bereits heute für die Produktion industriell relevanter Stoffe genutzt. Aufgrund ihrer komplexen und zeitlich dynamischen Zusammensetzung ist jedoch weder die Kultivierung von Biofilmen noch die Analyse einfach zu bewerkstelligen. Tatsächlich arbeiten sowohl die moderne Mikrobiologie als auch Biotechnologie auch heute noch hauptsächlich mit planktonischen Zellen, was zu Fehlinterpretationen führen kann, wenn man aus den Laborergebnisses z.B. Rückschlüsse auf die natürlichen Prozesse ziehen möchte. In der Arbeitsgruppe Technische Mikrobiologie (TMI) an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) haben wir daher eine mikrofluidische Kultivierungsplattform zur Anzucht und Analyse von Biofilmen entwickelt. Die Bakterien wachsen als Biofilmverbund in Fließzellen, mit einem Volumen im µL-Bereich und werden kontinuierlich mit Nährlösung durchspült. Das Wachstum der Biofilm kann mit einem optischen Kohärenztomographen (OCT) untersucht werden. Ein OCT kann als optisches Pendant zu einem Ultraschallgerät bezeichnet werden, nur dass in diesem Fall Licht Verwendung findet. Die OCT-Kamera kann oberhalb eines Kultivierungskanals positioniert werden. Da die Fließzellen aus Silikon und Glas bestehen, kann das Licht in die Biofilme eindringen, sodass die Höhe, das Volumen sowie die Architektur des Biofilms ermittelt und untersucht werden kann. Bisher war es uns nur möglich, punktuell Bilder aufzunehmen, da die Positionierung der OCT-Kamera erheblichen manuellen Aufwand bedeutete. Somit konnten bisher auch nur punktuelle Daten erhoben und damit nur bedingt aussagekräftige Rückschlüsse über die zeitlich dynamische Veränderung der Biofilme getätigt werden. Die Integration des OCT-Gerätes in ein Igus drylin® Raumportal ermöglicht uns zu Beginn eines Experimentes je nach Fragestellung und Anzahl der zu untersuchenden Replikate verschiedene Positionen einzuspeichern. Diese werden dann automatisiert angefahren und eine entsprechende Anzahl an Bildern wird aufgenommen. Somit haben wir unsere Hands-On-Zeit dramatisch reduzieren können. Zeitgleich konnten wir die Reproduzierbarkeit unserer Daten um ein Vielfaches erhöhen. Bilder können jetzt sowohl über Nacht als auch über das Wochenende aufgenommen werden. Zusammenfassend ist es uns aufgrund der automatisierten Bildgebungsroutine möglich im Hochdurchsatz mikrobielles Biofilmwachstum zu überwachen und reproduzierbare Daten zu erheben, sodass verschiedenste industriell interessante Bakterienstämme auf ihre Fähigkeit zu Biofilmbildung hin untersucht werden können bei geringer Hands-on-Arbeitszeit.

Bisher konnte die OCT-Kamera nur unter erheblichem manuellen Aufwand verwendet werden. Insbesondere nachts und an Wochenenden konnten keine Bilder aufgenommen werden. Dies hat zu großen Lücken in unseren Datensätzen geführt, wodurch unsere Ergebnisse nur teilweise aussagekräftig waren. Durch die Automatisierung der Bildgebung durch die Integration der OCT-Kamera (Optische Kohärenztomographie) in ein Igus drylin® Raumportal ist die Hands-On-Arbeitszeit der Wissenschaftler*innen extrem reduziert worden. Diese Zeit kann zum einen zur Bearbeitung weiterer Experimente genutzt werden. Zudem konnten somit Datenlücken, die wie oben erwähnt insbesondere nachts und an Wochenende auftraten, geschlossen werden.
Da das Raumportal nicht im industriellen Maßstab z.B. zur Produktion von einem Produkt eingesetzt wird, ist es schwierig eine Abschätzung über tatsächlich reduzierte Kosten in € zu machen. Wichtiger für uns als Forschungsgruppe ist die lückenlose Datenerhebung im Rahmen unserer Experimente.

drylin® E Motorsteuerungen

Geschätzte Kostenersparnis (€)

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