Real time monitoring of DNA hybridization and replication using optical and acoustic biosensors

Während in den letzten Jahren zahlreiche Biosensoren zum spezifischen Nachweis von DNA entwickelt wurden, ist die Anwendung oberflächen-sensitiver Methoden auf enzymatische Reaktionen ein vergleichsweise neues Forschungsgebiet. Trotz der hohen Empfindlichkeit und der Möglichkeit zur Echtzeit-Beobachtung molekularer Prozesse, ist die Anwendung dieser Methoden nicht etabliert, da die Enzymaktivität durch die Nähe zur Oberfläche beeinträchtigt sein kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die enzymatische Verlängerung immobilisierter DNA durch eine DNA Polymerase mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie (SPFS) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) untersucht. Die Synthese von DNA wurde im Fall der QCM als Massenzuwachs detektiert, der sich im Abfall der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes und einem Anstieg seiner Dissipationsenergie ausdrückte. Die viskoelastischen Eigenschaften der DNA-Schichten wurden bestimmt, indem die erhaltenen Daten mit einem auf Voigt basierenden Modell ausgewertet wurden. SPFS nutzt das evaneszente elektromagnetische Feld, das mit Oberflächenplasmonen einhergeht, zur oberflächen-sensitiven Anregung von Chromophoren. Auf diese Weise wurde der Einbau von Farbstoff-markierten Nukleotiden in die entstehende DNA-Sequenz als Indikator für das Voranschreiten der Reaktion ausgenutzt. Beide Meßtechniken konnten erfolgreich zum Nachweis der DNA-Synthese herangezogen werden, wobei die katalytische Aktivität des Enzyms vergleichbar zu der in Lösung gemessenen war.

Differenzierung von Reviergesängen und mitochondrialem Cytochrom-b in drei ausgewählten Singvogelgattungen (Aves, Passeriformes: Genus Regulus, Genus Seicercus und Parus major)

ZusammenfassungLautäußerungen von Singvögeln (Passeriformes) werden gemeinhin als Träger phylogenetischer Information betrachtet, obwohl direkte Nachweise in vergleichend bioakustischen Studien rar sind. Dieser Thematik widmet sich meine Dissertation am Beispiel dreier Singvogelgruppen: Goldhähnchen (Regulus), Goldbrillenlaubsänger (Seicercus) sowie verwandter Laubsänger (Phylloscopus) und Kohlmeisen (Parus major). Neben der Erhebung bioakustischer Daten wurde für jede Gruppe eine molekulare Phylogenie basierend auf Cytochrom-b-Sequenzen erstellt und für verschiedene akustische Merkmale Homoplasie-indizes berechnet (CI, RI und RC). Die phylogenetisch informativen Gesangsstrukturen innerhalb der Gattungen Regulus und Seicercus/ Phylloscopus sind sämtlich Syntaxmerkmale, zumeist der Gesamtstrophe, seltener von Strophenabschnitten. Bei den Goldhähnchen (Regulus) sind solche Syntaxmerkmale angeboren, Elementmerkmale hingegen sind erlernt und phylogenetisch nicht informativ. Die innerhalb der Kohlmeisen homogene Gesangssyntax ist erst auf höherer taxonomischer Ebene (Gattung Parus) ein informatives Merkmal. Der mittels einer Merkmalsmatrix berechnete akustische Divergenzindex zwischen Taxonpaaren steigt signifikant proportional zur genetischen Distanz. Damit ist erstmalig der Zusammenhang zwischen genetischer und akustischer Differenzierung quantifiziert. Die molekulare Phylogenie erhellt zudem bislang ungeklärte phylogenetische Beziehungen innerhalb aller drei Taxa. Diese werden im Hinblick auf das phylogenetische und das biologische Artkonzept diskutiert. Der Artstatus des Teneriffa-Goldhähnchens (Regulus teneriffae) sowie der bokharensis-Kohlmeisen ist fragwürdig aufgrund ihrer engen Verwandtschaft zu zu einzelnen Subspezies der Wintergoldhähnchen bzw. der Kohlmeisen.

Dynamics of epithelial monolayers assessed by acoustic and impedimetric whole cell biosensors

Mit der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit wurde die detailierten Analyse von Migrationsdynamiken epithelilaler Monolayer anhand zweier neuartiger in vitro Biosensoren verfolgt, der elektrischen Zell-Substrat Impedanz Spektroskopie (electrical cell-substrate impedance sensing, ECIS) sowie der Quarz Kristall Mikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM). Beide Methoden erwiesen sich als sensitiv gegenüber der Zellmotilität und der Nanozytotoxizität.rnInnerhalb des ersten Projektes wurde ein Fingerprinting von Krebszellen anhand ihrer Motilitätsdynamiken und der daraus generierten elektrischen oder akkustischen Fluktuationen auf ECIS oder QCM Basis vorgenommen; diese Echtzeitsensoren wurdene mit Hilfe klassicher in vitro Boyden-Kammer Migrations- und Invasions-assays validiert. Fluktuationssignaturen, also Langzeitkorrelationen oder fraktale Selbstähnlichkeit aufgrund der kollektiven Zellbewegung, wurden über Varianz-, Fourier- sowie trendbereinigende Fluktuationsanalyse quantifiziert. Stochastische Langzeitgedächtnisphänomene erwiesen sich als maßgebliche Beiträge zur Antwort adhärenter Zellen auf den QCM und ECIS-Sensoren. Des weiteren wurde der Einfluss niedermolekularer Toxine auf die Zytoslelettdynamiken verfolgt: die Auswirkungen von Cytochalasin D, Phalloidin und Blebbistatin sowie Taxol, Nocodazol und Colchicin wurden dabei über die QCM und ECIS Fluktuationsanalyse erfasst.rnIn einem zweiten Projektschwerpunkt wurden Adhäsionsprozesse sowie Zell-Zell und Zell-Substrat Degradationsprozesse bei Nanopartikelgabe charackterisiert, um ein Maß für Nanozytotoxizität in Abhangigkeit der Form, Funktionalisierung Stabilität oder Ladung der Partikel zu erhalten.rnAls Schlussfolgerung ist zu nennen, dass die neuartigen Echtzeit-Biosensoren QCM und ECIS eine hohe Zellspezifität besitzen, auf Zytoskelettdynamiken reagieren sowie als sensitive Detektoren für die Zellvitalität fungieren können.