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Für den simultanen Nachweis mehrerer Analyten innerhalb einer Probe ist die Bead-basierte Multiplexanalytik ein häufig verwendetes Verfahren und wird beispielsweise zur Quantifizierung von Proteinen genutzt. Die aufwendige Durchführung der Assays soll durch Automatisierung einerseits dem Anwender abgenommen werden, während andererseits die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Analyse gesteigert wird. Die Automatisierung des Bio-Plex Pro™ Assays ist mit dem Pipettierroboter Tecan Freedom EVO 200 umgesetzt worden. Es ist ein Skript mit der Software Freedom EVOware® entwickelt worden, welches die Probenvorbereitung des Assays vollständig übernimmt. Für einen Vergleich der manuellen und automatisierten Methode sind die humanen Zytokine IL-2, IL-4, IL-10, GM-CSF, IFN-γ und TNF-α in einer achtstufigen Standardverdünnungsreihe und in unterschiedlich konzentrierten Proben gemessen worden. Die Berechnung der Streuungen (Standardabweichung und Variationskoeffizient) der einzelnen Standardverdünnungsreihen sowie der Vergleich von gemessenen und erwarteten Konzentrationen der automatisierten und manuellen Methode zeigen, dass die Automatisierung neben der zeitlichen Optimierung auch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Analyse verbessert.
Ziel dieser Arbeit war die Erhöhung der Temperaturtoleranz des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 mittels ungerichteter Mutagenese und adaptiver Evolution. Trotz des erneuten Interesses an Cyanobakterien und Mikroalgen in den letzten Jahren, gibt es nur relativ wenige aktuelle Studien zum Einsatz dieser Methoden an Cyanobakterien. Zur Analyse eines mittels Mutagenese erzeugten Gemischs an Stämmen, ist es von großem Vorteil Hochdurchsatz-Methoden zur Kultivierung und zum Screening einsetzen zu können. Auf Basis eines Pipettierroboters wurde solch eine Plattform für phototrophe Mikroorganismen neu entwickelt und folgend stetig verbessert. Die Kultivierung erfolgt in 2,2ml Deepwell-Mikrotiterplatten innerhalb einer speziell angefertigten Kultivierungskammer. Schüttelbedingungen, Beleuchtung, Temperatur und CO2-Atmosphäre sind hierbei vollständig einstellbar.Die Plattform erlaubt semi-kontinuierliche Kultivierungen mit automatisierten Verdünnungen von hunderten Kulturen gleichzeitig. Automatisierte Messungen des Wachstums, des Absorptionsspektrums, der Chlorophyllkonzentration, MALDI-TOF-MS sowie eines neu entwickelten Vitalitätsassays wurden etabliert. Für die Mutagenese wurden die Letalität- und die nicht-letale Punktmutationsrate von ultravioletter Strahlung und Methylmethansulfonat für Synechocystis charakterisiert. Synechocystis wurde mit den so ermittelten optimalen Dosen mehrfach behandelt und anschließend einer in vivo Selektion unterzogen. Somit wurde dessen Temperaturtoleranz um bis zu 3°C erhöht. Über die Screeningplattform wurden die thermotolerantesten monoklonalen Stämme identifiziert. Nach einer Validierung wurde das vollständige Genom der Stämme sequenziert. Hierdurch wurden erstmals Mutationen in verschiedenen Genen mit der Langzeittemperaturtoleranz von Synechocystis in Verbindung gebracht. Bei einigen dieser Gene ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie mittels anderer Verfahren hätten identifiziert werden können.
Temperature tolerance is an important aspect for commercial scale outdoor cultivation of microalgae and cyanobacteria. While various genes are known to be related to Synechocystis sp. PCC6803's heat shock response, there is very limited published data concerning the specific genes involved in long term thermal tolerance. We have previously used random mutagenesis and adaptive evolution to generate a mixture of strains of Synechocystis sp. PCC6803 with significantly increased thermal tolerance. The genetic modifications leading to the phenotypes of the newly generated strains are the focus of this work.
Etablierung von Hochdurchsatz-Kultivierungs- und -Screeningmethoden für phototrophe Einzeller
(2012)
Mit Hochdurchsatz-Kultivierungs- und -Screeningmethoden können viele Proben parallel, miniaturisiert und kostengünstig bearbeitet werden. Für phototrophe Organismen wie Mikroalgen und Cyanobakterien sind Hochdurchsatz-Kultivierungsverfahren jedoch bis heute kaum etabliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Verfahren beispielhaft für das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 etabliert. Die benötigte technische Automatisierung wurde hierbei durch den Einsatz eines Tecan Genesis RSP 150 Pipettierroboters erreicht. Die Kultivierung erfolgte in Deepwell-Mikrotiterplatten innerhalb einer speziell angefertigten Kammer mit programmierbaren Schüttlern, einstellbarer Belichtung und CO2-Atmosphäre. Die in diesem System erreichten Wachstumsraten sind vergleichbar mit publizierten Kultivierungsmethoden. Das Hochdurchsatz-Screening wurde mit Hilfe eines in den Roboter integrierten Tecan Genios Plus Plattenreaders durchgeführt. Es wurden beispielhaft Methoden zur Bestimmung von optischer Dichte und Chlorophyllgehalt etabliert. Die hier vorgestellte Plattform kann vielseitig zur Analyse phototropher Organismen eingesetzt werden und ist durch entsprechende Assays leicht zur Messung anderer Parameter erweiterbar.
In this work we describe and test high-throughput methods with the model organism Synechocystis sp. PCC6803. The required technical automation for these processes was achieved with a Tecan Freedom Evo 200 pipetting robot. The cultivation was performed in 2.2 ml deepwell microtiter plates within a cultivation chamber outfitted with programmable shaking conditions, variable illumination, variable temperature, and an adjustable CO2 atmosphere. Each microtiter-well within the chamber functions as a separate cultivation vessel with reproducible conditions. The automated measurement of various parameters such as growth, full absorption spectrum, chlorophyll concentration, MALDI-TOF-MS, as well as a novel vitality measurement protocol, have already been established and can be monitored during cultivation. Measurement of growth parameters can be used as inputs for the system to allow for periodic automatic dilutions and therefore a semi-continuous cultivation of hundreds of cultures in parallel. The system also allows the automatic generation of mid and long term backups of cultures to repeat experiments or to retrieve strains of interest.
Random mutagenesis is a useful tool to genetically modify organisms for various purposes, such as adaptation to cultivation conditions, the induction of tolerances, or increased yield of valuable substances. This is especially attractive for systems where it is not obvious which genes require modifications. Random mutagenesis has been extensively used to modify crop plants, but even with the renewed interest in microalgae and cyanobacteria for biofuel applications, there is relatively limited current research available on the application of random mutagenesis for these organisms, especially for cyanobacteria. In the presented work we characterized the lethality and rate of non-lethal point mutations for ultraviolet radiation and methyl methanesulphonate on the model cyanobacteria Synechocystis sp. PCC6803. Based on these results an optimal dosage of 10–50 J/m2 for UV and either 0.1 or 1 v% for MMS was determined. A Synechocystis wildtype culture was then mutagenized and selected for increased temperature tolerance in vivo. During the second round of mutagenesis the viability of the culture was monitored on a cell by cell level from the treatment of the cells up to the growth at an increased temperature. After four distinct rounds of treatment (two with each mutagen) the temperature tolerance of the strain was effectively raised by about 2°C. Coupled with an appropriate in vivo screening, the described methods should be applicable to induce a variety of desirable characteristics in various strains. Coupling random mutagenesis with high-throughput screening methods would additionally allow to select for important characteristics for biofuel production, which do not yield a higher fitness and can not be selected for in vivo, such as fatty acid concentration. In a combined approach with full genome sequencing random mutagenesis could be used to determine suitable target-genes for more focused methods.
Currently established methods to identify viable and non-viable cells of cyanobacteria are either time-consuming (eg. plating) or preparation-intensive (eg. fluorescent staining). In this paper we present a new and fast viability assay for unicellular cyanobacteria, which uses red chlorophyll fluorescence and an unspecific green autofluorescence for the differentiation of viable and non-viable cells without the need of sample preparation.
Kommunale Kläranlagen stehen zunehmend vor der Herausforderung, Blähschlammereignisse unter sich verändernden klimatischen Randbedingungen und schwankenden Zulauffrachten sicher zu beherrschen, ohne auf energie- und chemikalienintensiven Betrieb ausweichen zu müssen. In dieser Studie wird ein hybrider Bilderkennungsalgorithmus vorgestellt, der klassische Bildverarbeitung mit Deep-Learning-Methoden (YOLOv4-basierte Objektdetektion) kombiniert, um in mikroskopischen Phasenkontrastaufnahmen von Belebtschlamm Flockenmasse, Filamentkonzentration und morphologische Merkmale von Mikroorganismen automatisiert zu quantifizieren. Der Algorithmus wurde in einer kommunalen Kläranlage mit sporadisch auftretenden Blähschlammereignissen unbekannter Ursache evaluiert. Hierzu wurden über mehrere Monate täglich Mikroskopiebilder erhoben, mit Betriebs- und Wetterdaten verknüpft und zwischen einem stabilen Referenzzeitraum und einem problembehafteten Zeitraum mit Blähschlammereignissen verglichen. Weder die vom Algorithmus ermittelten Filamentparameter noch die parallel durchgeführte 16S-rRNA- und ITS-Ampliconsequenzierung zeigten einen Anstieg filamentöser Mikroorganismen, eine Vergrößerung der Flocken oder signifikante Unterschiede in Alpha- und Beta-Diversität zwischen Referenz- und Problemzeitraum, sodass eine klassische filamentöse Überwucherung als Ursache ausgeschlossen werden konnte. Der Algorithmus erweist sich damit als robustes Werkzeug zur verlässlichen Detektion von Null-Ereignissen und zur ökologisch sinnvollen Entscheidungsunterstützung, indem er unnötige Fällmitteldosierungen vermeidbar macht und als Baustein zukünftiger Frühwarnsysteme auf Basis automatisierter Bildanalyse dienen kann.
