Kurz und Knapp

  • Tropfen-Mikrofluidik ermöglicht den Umgang mit Kulturen auf kleinstem Raum. Das ist wichtig für die Forschung zum Beispiel in der Medizin oder der Biotechnologie.
  • Das Problem: Nach längerer Kultivierung haben Forschende oft den Überblick verloren, welcher Mikroorganismus sich in welchem Tropfen befindet.
  • Ein Team aus Jena hat nun ein Konzept entwickelt, um das Problem zu lösen. Es gründet sich auf Künstliche Intelligenz – und bunten Kügelchen.

Jenaer Forschungsteam entwickelt Methode zur Sortierung

Die sogenannte Mikrofluidik spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Biotechnologie und Medizinforschung: Mit dieser Methode können Mikroorganismen schnell und platzsparend kultiviert (also gezüchtet) werden; das ist beispielsweise bei der Suche nach neuen Antibiotika hilfreich. Der Nachteil: Die vielen verwendeten Tröpfchen sind nicht voneinander unterscheidbar. Eine Lösung für dieses Problem gefunden hat nun ein Forschungsteam in Jena, und zwar mithilfe kleiner, bunter Kunststoffkügelchen und Künstlicher Intelligenz.
Das Prinzip der Tropfen-Mikrofluidik 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, die als winzige Bioreaktoren funktionieren. Sie können jeweils mit einer Bakterienzelle beimpft werden, so dass Forscherinnen und Forschern große Mengen an Reinkulturen für die Suche nach neuen Mikroorganismen oder Wirkstoffen zur Verfügung stehen.

„Die Mikrofluidik hat viele Vorteile“, sagt Miguel Tovar vom Biotechnikum des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (HKI) in Jena. „Aber bei mitunter wochenlanger Kultivierung kommen die Tropfen durcheinander, sodass wir keinen Überblick mehr haben, welches Bakterium in welchem Tropfen ist.“

Hier kommt nun die Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie am HKI ins Spiel, die ein System entwickelte, das die Tröpfchen nach Bakterienart oder experimentellen Bedingungen sortieren kann.

Dazu fügten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Tropfen kleine Kunststoffkügelchen in verschiedenen Farben und Kombinationen hinzu, die die Tröpfchen und deren Inhalt codieren. „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“, erklärt Carl-Magnus Svensson, Mitglied der Forschungsgruppe, deren Arbeit im Fachblatt „Small“ veröffentlicht wurde.

In zwei Experimenten testete das Team das Konzept. Im ersten Experiment fügte es den Tropfen verschieden hohe Konzentrationen an Antibiotika hinzu und sortierte die Tröpfchen farblich kodiert. Dabei wurde immer eine Farbe oder Farbkombination für eine bestimmte Antibiotikadosierung verwendet. Im zweiten Experiment wurden an einem antibiotikaresistenten Keim neun verschiedene Antibiotika getestet – drei erwiesen sich als wirksam. In beiden Versuchen funktionierte die Zuordnung zu Gruppen nach Farben.

Derzeit arbeitet das Team daran, das Konzept zu perfektionieren. So erkennt der Computer etwa die Farben der Kügelchen bislang nicht immer exakt und ordnet sie deshalb falsch zu. Auch die Anzahl an Farbkombinationen ist begrenzt. „Dennoch denke ich, dass wir etwa hundert verschiedene Farbkombinationen anwenden können“, erläutert Svensson.

09.04.2019

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