Veranlassung
Es fehlen schnelle und vor allem feldtaugliche Methoden zur Detektion von PFAS in der Umwelt, um so zeitnah Maßnahmen zur Minderung von PFAS-Kontaminationen durchzuführen oder den Erfolg von Minderungsmaßnahmen zu beurteilen. Entsprechende Methoden können ebenso helfen, die Prozesssteuerung einer Abwasserbehandlung zur Entfernung von PFAS z. B. durch eine Aktivkohlebehandlung zu optimieren. Das Projekt PFASense hat sich zum Ziel gesetzt, eine solche Methode zu entwickeln. Hierzu werden Elektroden hergestellt, die a) entweder für eine spezifische Detektion perflourierter Verbindungen oberflächenmodifiziert sind und b) biologische Effekte, die durch perflourierte Verbindungen hervorgerufen werden können, mit mikrobiellen Bioreportern elektrochemisch erfassen. Mit den individuellen Signalen der einzelnen Elektroden wird eine KI trainiert und auf diese Weise ein Sensor-Array zur sensitiven Detektion der großen Stoffgruppe der perfluorierten Verbindungen in Umweltproben entwickelt.
Ziele
- a. Design und Herstellung von molekular geprägten Membranen zur Anreicherung spezifischer PFAS.
- b. Design und Herstellung elektrochemischer, bakterieller Biosensoren zur Detektion biologischer Effekte, die durch PFAS hervorgerufen werden.
- c. Design und Herstellung elektrochemischer, hefebasierter Biosensoren zur Detektion einer Veränderung der Thyroid-Signalkaskade durch PFAS.
- d. Design und Herstellung eines intelligenten elektrochemischen Sensors für die direkte chemische Detektion von PFAS mittels KI-gestützter Datenauswertung.
- e. Konstruktion eines mikrofluiden multi-Sensor-Arrays unter Nutzung der in a. bis d. entwickelten Komponenten.
- f. Validierung und Eignungstestung des entwickelten Sensor-Arrays mittels Einzelsubstanzen, Substanzmischungen sowie dotierten und undotierten Realproben mit einem Fokus auf industriellen Abwässern.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer innovativen technologischen Lösung für die folgende Fragestellung: Wie kann man zeitnah Informationen über die Qualität von z. B. Abwässern erhalten, ohne auf verzögert zur Verfügung stehende, analytische Informationen aus einem Labor angewiesen zu sein?
Dieser Bedarf an zeitnahen Informationen für eine Bewertung von Abwasser und Wasserproben kann perspektivisch mittels eines bio-elektrochemischen Sensorarrays gedeckt werden, der im Rahmen des Projekts für den Nachweis von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) entwickelt wird. PFAS werden in zahlreichen Produkten verwendet, darunter wässrige filmbildende Schäume für die Brandbekämpfung, antihaftbeschichtetes Kochgeschirr, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisende Stoffe, medizinische Geräte, Kunststoffe und Lederprodukte. PFAS werden jedoch mit verschiedenen, toxikologisch relevanten Effekten in Verbindung gebracht, wie mit veränderten Immun- und Schilddrüsenfunktionen, Leber- und Nierenerkrankungen, Lipid- und Insulinstörungen, Fortpflanzungs- und Entwicklungsstörungen oder auch der Krebsentstehung. Als unmittelbare Folge dieser Gesundheitsrisiken hat die Europäische Kommission einen Vorschlag zur Überarbeitung der Liste der prioritären Stoffe in Oberflächengewässern angenommen, unter denen 24 Verbindungen zur Gruppe der PFAS gehören.
Das im Boden vorkommende Bakterium Agrobacterium tumefaciens infiziert eine Vielzahl von Pflanzenarten und verursacht die Wurzelhalsgallenkrankheit. Es überträgt bakterielle DNA zusammen mit Effektorproteinen in Wirtszellen. Diese T-DNA (Transfer-DNA) wird stabil in das Pflanzengenom integriert, und die Expression der darin kodierten Onkogene führt zu Zellproliferation und Tumorbildung. Die Fähigkeit, DNA in das Wirtsgenom zu übertragen, hat A. tumefaciens zu einem der wichtigsten Werkzeuge in der pflanzlichen Gentechnik gemacht. Allerdings sind viele Pflanzenarten weiterhin schwierig zu transformieren, und es ist unklar, woran das liegt. Dies ist auch eine Folge unseres unzureichenden Wissens über die molekularen Voraussetzungen auf Seiten der Wirtszellen. In einer Reihe unabhängiger Experimente haben wir beobachtet, dass eine veränderte Sphingolipidzusammensetzung von Arabidopsispflanzen die Agrobakterien-Transformationseffizienz signifikant beeinflusst. Pflanzliche Sphingolipide wie Glucosylceramide und Glucosylinositolphosphorylceramide (GIPCs) sind vorwiegend in Nanodomänen der Plasmamembran lokalisiert. Frühere Studien in Arabidopsis haben gezeigt, dass Sphingolipide die Funktion von membranständigen Rezeptoren und Calciumkanälen beeinflussen können, welche für verschiedene Signaltransduktionsprozesse wichtig sind. Sphingolipide könnten daher in verschiedenen Phasen der Agrobacterium-Transformation eine Funktion haben, z. B. durch Beeinflussung membranständiger Rezeptoren, die Abwehrreaktionen auslösen, oder durch die Interaktion mit bakteriellen Proteinen des Typ-IV-Sekretionssystems während des T-DNA-Transfers durch die Plasmamembran. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, diejenigen pflanzlichen Sphingolipid-Spezies zu identifizieren, die die Agrobacterium-Transformationseffizienz beeinflussen, und die Funktion dieser Lipide während der verschiedenen Transformationsstadien zu charakterisieren. Um die Auswirkungen verschiedener Sphingolipidprofile auf die Transformationseffizienz zu ermitteln, setzen wir einen etablierten in vivo Transformationseffizienztest ein. In diesem werden wir unsere Sammlung von Arabidopsis-Mutantenlinien mit veränderter Sphingolipidzusammensetzung, sowie eine Reihe von pharmakologischen und Temperatur-Behandlungen testen. Zur Identifizierung der relevanten Sphingolipide setzen wir Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie und anschließende Massenspektrometrie (UPLC-MS/MS) ein. Anschliessend werden wir analysieren, in welcher Phase der Transformation diese Lipide beteiligt sind. Dazu werden wir im in vivo System Wachstum, Anheftung und die Expression von Virulenzgenen der Bakterien testen und parallel dazu die Abwehrreaktion der Pflanze und die subzelluläre Lipidzusammensetzung analysieren. Wir erwarten, dass die Charakterisierung dieser Sphingolipid-abhängigen Prozesse in der Wirtszelle unser Verständnis der Mechanismen der Pflanzentransformation durch Agrobakterien entscheidend verbessern wird.