Entwicklung einer computergesteuerten Robotikplattform für Life Science Applikationen am Beispiel des miniaturisierten Chlorophyll-Fluoreszenztests mit der Grünalge Desmodesmus subspicatus

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer computergesteuerten Robotikplattform für Anwendungen im Bereich des Life Science Sektors. Primär sollte der Wachstumshemmtest mit der Grünalge Desmodesmus subspicatus miniaturisiert und automatisiert werden. Der Aufbau sollte möglichst vielseitig einsetzbar und modifizierbar ausgelegt werden.

Zu diesem Zweck wurden in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen zunächst Voruntersuchungen zur Machbarkeit der Miniaturisierung des Testsystems gemacht. Dabei wurden Vergleichsstudien der verschiedenen Ansatzgrößen (Erlenmeyerkolbenmaßstab, Mikrotitrationsplattenmaßstab) angestellt, wobei parallel mehrere Randbedingungen (Messwerterfassung, Inkubations- und Auswertungsparameter, Verdunstung) optimiert werden mussten. Bei der technischen Realisierung stand mit Hilfe der Polygen GmbH (Langen, Deutschland) die Entwicklung eines temperierbaren Mikrotitrationsplattenschüttlers im Vordergrund. Das neuartige Konzept einer peltier-gekühlten Inkubationseinheit wurde dabei erfolgreich in den Testablauf integriert. Das Design und die Zusammenstellung der übrigen Komponenten (Roboter, Fluoreszenzmessgerät, Dosiersystem, Peripherieelemente) erfolgte stets im Hinblick auf eine Wiederverwertbarkeit des Systems in anderen Forschungsgebieten. Zum experimentellen Aufbau gehört auch die Software-Umgebung, die für die Interaktion der Geräte, die Weitergabe der Messdaten und die statistische Auswertung verantwortlich ist. Hierzu wurde eine eigene High-Level-Programmiersprache ('BioLane Supervisor') geschaffen, die auf einfache Weise das Schreiben komplexer Applikationsskripte ermöglicht. Der Validationsphase des 'HT-Algentest'-Automaten anhand der Referenztoxen Kaliumdichromat und 3,5-Dichlorphenol folgten eingehende Untersuchungen mit anorganischen Salzen, diversen organischen Verbindungen, ausgewählten Umweltproben (Boden- und Abwasserproben) sowie von der Henkel KGaA (Düsseldorf, Deutschland) zur Verfügung gestellten Tensiden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit dem Prototyp übereinstimmende Ergebnisse im Vergleich mit dem konventionellen Testsystem über einen weiten Toxizitätsbereich erhalten wurden. Sämtliche Umweltproben konnten zudem erfolgreich bewertet werden. In der vorhandenen automatisierten Testumgebung konnte außerdem die statistische Absicherung der Messergebnisse deutlich verbessert werden. Darüber hinaus scheint für die Zukunft die Kopplung an Syntheseautomaten der kombinatorischen Chemie für den vorsorgenden Umweltschutz sinnvoll.

Mit Genotoxizitätstests und bakteriellen Zellvermehrungshemmtests stehen für zukünftige Einsatzmöglichkeiten der Anlage weitere potenzielle Testverfahren zur Verfügung. Hierzu müssten aber weitere Untersuchungen veranlasst werden sowie leichte Modifikationen am experimentellen Aufbau durchgeführt werden.

Die Programmiersprache 'BioLane Supervisor' wurde schließlich in die Produktpalette der Hölle & Hüttner AG (Tübingen, Deutschland) aufgenommen. Mit ihrer Hilfe konnte erfolgreich an mehreren Forschungsprojekten mitgewirkt werden. Die Bandbreite für technische Anwendungen (Anlagensteuerung) ist hierbei fast grenzenlos.

(Die Filmdatei Film_Algentest.mpg dient zur besseren Illustration der technischen Verwirklichungen)

A high-throughput algal growth inhibition assay prototype is set up and optimized in cooperation with RWTH Aachen (Germany) and Hölle & Hüttner AG (Tübingen, Germany). The growth inhibition test is miniaturized and automated. Furthermore the experimental setup is designed versatilely. Therefore it can be easily modified for other fields of research. A software package for both the control of the test system and for data evaluation has been developed (BioLane Supervisor, BioLane Manager HTT).

The applicability of the prototype is demonstrated by testing reference compounds with the automated assay (microplates) in parallel with the Erlenmeyer flask assay. It is shown that EC50-values of chemicals do not differ significantly when incubation parameters like homogeneity of light intensity, temperature and evaporation during 72 hours of incubation are optimized.

Large numbers of toxicants can be characterized simultaneously with this high-throughput microplate system. Far more treatments and more parallels can be investigated. Only very low sample volumes are needed. This allows the toxicological characterization of expensive chemicals and the screening of substances which are newly developed in laboratory synthesis automats.

Genotoxicity tests and bacterial growth inhibitions tests are further potential bioassays which can be realized with the newly developed robotics platform.

The newly developed programming language BioLane Supervisor was successfully used to realize further research projects. The range of technical application of this software is nearly unlimited.