Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Proteinelektrophorese in offener Mikrofluidik

In den Disziplinen der Proteomik, der Metabolomik, der Einzelzellanalytik und der pharmazeutischen Wirkstoffentwicklung sind elektrophoretische Verfahren, wie Western Blots oder die Kapillarelektrophorese wichtige analytische und vielgenutzte Methoden zur Proteinidentifizierung und -Charakterisierung. Konventionelle Methoden sind dabei oft zeitaufwendig, ungenau, arbeitsintensiv, unflexibel und erfordern relativ große Probenmengen. Gefragt ist, neben einer Beschleunigung des Verfahrens, dass auch sehr geringe Probenvolumina bis hin zu einzelnen Zellen analysiert werden können, da dies nicht nur signifikant Reagenzien einspart, sondern auch neue Informationen im Bereich Einzelzellheterogenität liefert. Ein innovativer Lösungsansatz auf Basis digitaler Drucktechnik soll nun durch das beantragte Vorhaben erforscht werden, um Basiswissen für die Entwicklung neuer Produkte und Verfahren zu schaffen.

Ziel ist es, ein variables und flexibles System zu erarbeiten, welches für die Proteinseparation in Proben mit Volumina von Mirko- bis Nanoliter geeignet ist. Dies beinhaltet die Evaluation von passenden biochemischen Prozessen und Materialien, sowie die Entwicklung eines Prozessiergerätes, mit Hilfe dessen die offenen mikrofluidischen Kanäle hergestellt, die Proben injiziert und die elektrophoretische Trennung durchgeführt werden können. Dabei soll ein Gel direkt als feine, linienförmige Trennstrecke auf eine Membran gedruckt und die Proteine nach der Auftrennung direkt an diese Membran gekoppelt werden. Angestrebt ist ein vollautomatischer Prozess, welcher schnell und hochsensitiv ist und bei dem die Proteine für weitere Analytik freizugänglich sind.

„PRINTOMik“ ist besonders relevant für KMUs, die Materialien für Proteinelektrophorese, Western Blots sowie Einzelzellanalytik anbieten und Plattformen für Mikrodosiersysteme herstellen. Für KMU, die die PRINTOMik Technologie selbst anwenden, wird die Plattform den Analyseworkflow maßgeblich vereinfachen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Zentrum des Forschungsvorhabens stand die Entwicklung einer offenen Mikrofluidik-Plattform, die eine elektrophoretische Auftrennung von Proteinen ermöglicht. Des Weiteren sollte eine Immobilisierung der Proteine erzielt werden, um eine Schnittstelle zwischen der elektrophoretischen Auftrennung und dem immunologischen Nachweis eines spezifischen Zielproteins zu etablieren. Alle Prozessschritte sollten final in einem weitgehend automatisierbaren System integriert werden. Die hier entwickelte offene Mikrofluidik-Plattform besteht aus einer mikrostrukturierten Celluloseacetat-Membran, in die mithilfe digitaler Druckverfahren geeignete Elektrophoresestrukturen eingebracht wurden. Nach der Injektion Protein-haltiger Proben erfolgte die elektrophoretische Auftrennung der Proteine sowie deren Transfer auf eine Protein-bindende Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Membran. Spezifische Zielproteine wurden dann innerhalb der PVDF-Membran immunologisch nachgewiesen. Durch eine weitgehende Miniaturisierung und Automatisierung ist die hier entwickelte Plattform durchaus konkurrenzfähig mit etablierten Verfahren. So erwies sich die offene Mikrofluidik im Vergleich zur herkömmlichen SDS-PAGE als sehr zeiteffizient und materialsparend. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass bis zu vier Proteine in einer Linienstruktur gleichzeitig nachgewiesen werden können. Durch eine Parallelisierung (parallele Elektrophoresestrukturen) konnte der Multiplexing-Grad weiter erhöht werden. Zudem wurde die Kompatibilität der offenen Mikrofluidik mit komplexen biologischen Proben (bakteriellen Zellextrakten) analysiert und hierbei vielversprechende Ergebnisse erzielt. Somit konnte gezeigt werden, dass die offene Mikrofluidik-Plattform auch mit hochkomplexen Proben vollständig kompatibel ist und ein hohes Automatisierungspotential für zukünftige Anwendungen besteht. Mehrere KMU haben Interesse an der Weiterentwicklung, daher wird aktuell die Möglichkeit eines entsprechenden Folgeprojektes evaluiert.