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Bioreaktoren im Nanomaßstab

Molekularbiologen entwickelten im Rahmen eines EU-finanzierten Forschungsprojekts einen Bioreaktor im Nanomaßstab, der sich temperaturabhängig von außen einstellen lässt. Dank geringer Größe und großer Oberfläche ist der Reaktor ein vielseitiges Werkzeug für medizinische, chemische, biologische und umweltbezogene Anwendungen.
Bioreaktoren im Nanomaßstab
Das Projekt SMART (Stimuli-responsive zipper-like nanobioreactors) konzipierte damit eine neue Generation intelligenter Geräte, die auf Umgebungsveränderungen reagieren (stimuli-responsiv) und hochmodernen Anwendungen gerecht werden wie der an- und abschaltbaren Biokatalyse in der Biologie, Nahrungsmittelherstellung, Gesundheit oder Umweltforschung.

Der neue selbststeuernde Bioreaktortyp passt sich modernsten Anwendungen an, da er mittels einzigartiger Nanoarchitektur im "Reißverschlussprinzip" auf äußere Bedingungen reagieren kann. Diese besteht aus einem Donor- und einem Rezeptorstrang aus Polymer, die über eine Spender-Rezeptor-Interaktion gekoppelt werden.

Bei relativ niedrigen Temperaturen verstärkt sich die aktive Donor-Rezeptor-Interaktion, resultierend aus der Wasserstoffbindung, und begrenzt dadurch das Einströmen von Biosubstraten in den Bioreaktor, was die Diffusion von Reaktionskomponenten und damit auch die Aktivität reduziert.

Bei relativ hohen Temperaturen hingegen wird die Wasserstoffbindung schwächer und das Biosubstrat kann frei in den Bioreaktor einströmen. Die Umgebungstemperatur fungiert daher als An-Aus-Schalter. Das richtige Verhältnis zwischen Donor- und Akzeptormonomeren ist Voraussetzung für die Herstellung eines optimalen Reisverschlussmodells.

Die neue Bioreaktorplattform wurde von den Projektpartnern konzipiert, gebaut und hinsichtlich ihrer selbststeuernden Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen getestet, etwa der schaltbaren Biokatalyse auf Nanotechnologiebasis. Die Forscher von SMART nutzten die Technologie für die Entwicklung eines stimuli-responsiven Nanobioreaktors nach Reißverschlussprinzip, der auf Substratveränderungen reagiert.

Weiterhin wurden Anwendungen für die schaltbare Biokatalyse und modulierte Proteinverarbeitung getestet und eine neue Methodik zu Anwendungsstrategien wie Selbstorganisation, Überwachung dynamischer Phasenübergänge, biokatalytischer Analyse und Charakterisierung entwickelt.

Das SMART-Konsortium entwickelte somit einen kostengünstigen, stabilen und ultraempfindlichen Reaktor für die schnelle und einfache Handhabung. Die moderne Technologie verwendet eine neue Generation stimuli-responsiver moderner Nanomaterialien zur Herstellung intelligenter Bioreaktoren, die als neuartige Biosensoren fungieren.

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