TY - THES A1 - Pramanik, Shreya T1 - Protein reconstitution in giant vesicles N2 - Das Leben auf der Erde ist vielfältig und reicht von einzelligen Organismen bis hin zu mehrzelligen Lebewesen wie dem Menschen. Obwohl es Theorien darüber gibt, wie sich diese Organismen entwickelt haben könnten, verstehen wir nur wenig darüber, wie "Leben" aus Molekülen entstanden ist. Die synthetische Bottom-up-Biologie zielt darauf ab, minimale Zellen zu schaffen, indem sie verschiedene Module wie Kompartimentierung, Wachstum, Teilung und zelluläre Kommunikation kombiniert. Alle lebenden Zellen haben eine Membran, die sie von dem sie umgebenden wässrigen Medium trennt und sie schützt. Darüber hinaus haben alle eukaryotischen Zellen Organellen, die von intrazellulären Membranen umschlossen sind. Jede Zellmembran besteht hauptsächlich aus einer Lipiddoppelschicht mit Membranproteinen. Lipide sind amphiphile Moleküle, die molekulare Doppelschichten aus zwei Lipid-Monoschichten oder Blättchen bilden. Die hydrophoben Ketten der Lipide sind einander zugewandt, während ihre hydrophilen Kopfgruppen die Grenzflächen zur wässrigen Umgebung bilden. Riesenvesikel sind Modellmembransysteme, die Kompartimente mit einer Größe von mehreren Mikrometern bilden und von einer einzigen Lipiddoppelschicht umgeben sind. Die Größe der Riesenvesikel ist mit der Größe von Zellen vergleichbar und macht sie zu guten Membranmodellen, die mit einem Lichtmikroskop untersucht werden können. Allerdings fehlen den Riesenvesikelmembranen nach der ersten Präparation Membranproteine, die in weiteren Präparationsschritten in diese Membranen eingebaut werden müssen. Je nach Protein kann es entweder über Ankerlipide an eines der Membranblättchen gebunden oder über seine Transmembrandomänen in die Lipiddoppelschicht eingebaut werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Riesenvesikeln und der Rekonstitution von Proteinen in diesen Vesikeln. Außerdem wird ein mikrofluidischer Chip entworfen, der in verschiedenen Experimenten verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anderen Forschern helfen, die Protokolle für die Herstellung von GUVs zu verstehen, Proteine in GUVs zu rekonstituieren und Experimente mit dem mikrofluidischen Chip durchzuführen. Auf diese Weise wird die vorliegende Arbeit für das langfristige Ziel von Nutzen sein, die verschiedenen Module der synthetischen Biologie zu kombinieren, um eine Minimalzelle zu schaffen. N2 - Life on Earth is diverse and ranges from unicellular organisms to multicellular creatures like humans. Although there are theories about how these organisms might have evolved, we understand little about how ‘life’ started from molecules. Bottom-up synthetic biology aims to create minimal cells by combining different modules, such as compartmentalization, growth, division, and cellular communication. All living cells have a membrane that separates them from the surrounding aqueous medium and helps to protect them. In addition, all eukaryotic cells have organelles that are enclosed by intracellular membranes. Each cellular membrane is primarily made of a lipid bilayer with membrane proteins. Lipids are amphiphilic molecules that assemble into molecular bilayers consisting of two leaflets. The hydrophobic chains of the lipids in the two leaflets face each other, and their hydrophilic headgroups face the aqueous surroundings. Giant unilamellar vesicles (GUVs) are model membrane systems that form large compartments with a size of many micrometers and enclosed by a single lipid bilayer. The size of GUVs is comparable to the size of cells, making them good membrane models which can be studied using an optical microscope. However, after the initial preparation, GUV membranes lack membrane proteins which have to be reconstituted into these membranes by subsequent preparation steps. Depending on the protein, it can be either attached via anchor lipids to one of the membrane leaflets or inserted into the lipid bilayer via its transmembrane domains. The first step is to prepare the GUVs and then expose them to an exterior solution with proteins. Various protocols have been developed for the initial preparation of GUVs. For the second step, the GUVs can be exposed to a bulk solution of protein or can be trapped in a microfluidic device and then supplied with the protein solution. To minimize the amount of solution and for more precise measurements, I have designed a microfluidic device that has a main channel, and several dead-end side channels that are perpendicular to the main channel. The GUVs are trapped in the dead-end channels. This design exchanges the solution around the GUVs via diffusion from the main channel, thus shielding the GUVs from the flow within the main channel. This device has a small volume of just 2.5 μL, can be used without a pump and can be combined with a confocal microscope, enabling uninterrupted imaging of the GUVs during the experiments. I used this device for most of the experiments on GUVs that are discussed in this thesis. In the first project of the thesis, a lipid mixture doped with an anchor lipid was used that can bind to a histidine chain (referred to as His-tag(ged) or 6H) via the metal cation Ni2+. This method is widely used for the biofunctionalization of GUVs by attaching proteins without a transmembrane domain. Fluorescently labeled His-tags which are bound to a membrane can be observed in a confocal microscope. Using the same lipid mixture, I prepared the GUVs with different protocols and investigated the membrane composition of the resulting GUVs by evaluating the amount of fluorescently labeled His-tagged molecules bound to their membranes. I used the microfluidic device described above to expose the outer leaflet of the vesicle to a constant concentration of the His-tagged molecules. Two fluorescent molecules with a His-tag were studied and compared: green fluorescent protein (6H-GFP) and fluorescein isothiocyanate (6H-FITC). Although the quantum yield in solution is similar for both molecules, the brightness of the membrane-bound 6H-GFP is higher than the brightness of the membrane-bound 6H-FITC. The observed difference in the brightness reveals that the fluorescence of the 6H-FITC is quenched by the anchor lipid via the Ni2+ ion. Furthermore, my measurements also showed that the fluorescence intensity of the membranebound His-tagged molecules depends on microenvironmental factors such as pH. For both 6H-GFP and 6H-FITC, the interaction with the membrane is quantified by evaluating the equilibrium dissociation constant. The membrane fluorescence is measured as a function of the fluorophores’ molar concentration. Theoretical analysis of these data leads to the equilibrium dissociation constants of (37.5 ± 7.5) nM for 6H-GFP and (18.5 ± 3.7) nM for 6H-FITC. The anchor lipid mentioned previously used the metal cation Ni2+ to mediate the bond between the anchor lipid and the His-tag. The Ni2+ ion can be replaced by other transition metal ions. Studies have shown that Co3+ forms the strongest bonds with the His-tags attached to proteins. In these studies, strong oxidizing agents were used to oxidize the Co2+ mediated complex with the His-tagged protein to a Co3+ mediated complex. This procedure puts the proteins at risk of being oxidized as well. In this thesis, the vesicles were first prepared with anchor lipids without any metal cation. The Co3+ was added to these anchor lipids and finally the His-tagged protein was added to the GUVs to form the Co3+ mediated bond. This system was also established using the microfluidic device. The different preparation procedures of GUVs usually lead to vesicles with a spherical morphology. On the other hand, many cell organelles have a more complex architecture with a non spherical topology. One fascinating example is provided by the endoplasmic reticulum (ER) which is made of a continuous membrane and extends throughout the cell in the form of tubes and sheets. The tubes are connected by three-way junctions and form a tubular network of irregular polygons. The formation and maintenance of these reticular networks requires membrane proteins that hydrolyize guanosine triphosphate (GTP). One of these membrane proteins is atlastin. In this thesis, I reconstituted the atlastin protein in GUV membranes using detergent-assisted reconstitution protocols to insert the proteins directly into lipid bilayers. This thesis focuses on protein reconstitution by binding His-tagged proteins to anchor lipids and by detergent-assisted insertion of proteins with transmembrane domains. It also provides the design of a microfluidic device that can be used in various experiments, one example is the evaluation of the equilibrium dissociation constant for membrane-protein interactions. The results of this thesis will help other researchers to understand the protocols for preparing GUVs, to reconstitute proteins in GUVs, and to perform experiments using the microfluidic device. This knowledge should be beneficial for the long-term goal of combining the different modules of synthetic biology to make a minimal cell. KW - protein reconstitution KW - giant vesicles KW - microfluidics KW - synthetic biology KW - Riesenvesikel KW - Mikrofluidik KW - Proteinrekonstitution KW - synthetische Biologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612781 ER - TY - THES A1 - Gerling, Marten Tobias T1 - A microfluidic system for high-precision image-based live cell sorting using dielectrophoretic forces T1 - Ein mikrofluidisches System zur hochpräzisen und bildgestützten Sortierung lebender Zellen mittels dielektrophoretischer Kräfte N2 - An important goal in biotechnology and (bio-) medical research is the isolation of single cells from a heterogeneous cell population. These specialised cells are of great interest for bioproduction, diagnostics, drug development, (cancer) therapy and research. To tackle emerging questions, an ever finer differentiation between target cells and non-target cells is required. This precise differentiation is a challenge for a growing number of available methods. Since the physiological properties of the cells are closely linked to their morphology, it is beneficial to include their appearance in the sorting decision. For established methods, this represents a non addressable parameter, requiring new methods for the identification and isolation of target cells. Consequently, a variety of new flow-based methods have been developed and presented in recent years utilising 2D imaging data to identify target cells within a sample. As these methods aim for high throughput, the devices developed typically require highly complex fluid handling techniques, making them expensive while offering limited image quality. In this work, a new continuous flow system for image-based cell sorting was developed that uses dielectrophoresis to precisely handle cells in a microchannel. Dielectrophoretic forces are exerted by inhomogeneous alternating electric fields on polarisable particles (here: cells). In the present system, the electric fields can be switched on and off precisely and quickly by a signal generator. In addition to the resulting simple and effective cell handling, the system is characterised by the outstanding quality of the image data generated and its compatibility with standard microscopes. These aspects result in low complexity, making it both affordable and user-friendly. With the developed cell sorting system, cells could be sorted reliably and efficiently according to their cytosolic staining as well as morphological properties at different optical magnifications. The achieved purity of the target cell population was up to 95% and about 85% of the sorted cells could be recovered from the system. Good agreement was achieved between the results obtained and theoretical considerations. The achieved throughput of the system was up to 12,000 cells per hour. Cell viability studies indicated a high biocompatibility of the system. The results presented demonstrate the potential of image-based cell sorting using dielectrophoresis. The outstanding image quality and highly precise yet gentle handling of the cells set the system apart from other technologies. This results in enormous potential for processing valuable and sensitive cell samples. N2 - Ein wichtiges Ziel in der Biotechnologie und (bio-) medizinischen Forschung ist die Isolation von Einzelzellen aus einer heterogenen Zellpopulation. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind diese Zellen für die Bioproduktion, Diagnostik, Arzneimittelentwicklung, (Krebs-) Therapie und Forschung von großem Interesse. Um neue Fragestellungen angehen zu können, ist eine immer feinere Differenzierung zwischen Zielzellen und Nicht-Zielzellen erforderlich. Diese präzise Differenzierung stellt eine Herausforderung für eine wachsende Zahl verfügbarer Methoden dar. Da die physiologischen Eigenschaften der Zellen eng mit ihrer Morphologie verknüpft sind, ist es sinnvoll ihr Erscheinungsbild mit in die Sortierentscheidung einzubeziehen. Für etablierte Methoden stellt dies jedoch einen nicht adressierbaren Parameter dar, weshalb neue Methoden zur Identifikation und Isolation der Zielzellen benötigt werden. Folglich wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl neuer durchflussbasierter Methoden entwickelt und vorgestellt, die 2D-Bilddaten zur Identifikation der Zielzellen innerhalb einer Probe heranziehen. Da diese Methoden auf hohe Durchsätze abzielen, erfordern die entwickelten Geräte in der Regel hochkomplexe Techniken zur Handhabung der Flüssigkeiten, was sie teuer macht und gleichzeitig zu einer begrenzten Bildqualität führt. In dieser Arbeit wurde ein neues durchflussbasiertes System zur bildbasierten Zellsortierung entwickelt, das Dielektrophorese zur präzisen Handhabung der Zellen in einem Mikrokanal verwendet. Dielektrophoretische Kräfte werden von inhomogenen elektrischen Wechselfeldern auf polarisierbare Partikel (hier: Zellen) ausgeübt. Bei dem vorliegenden System können die elektrischen Felder durch einen Signalgenerator präzise und schnell ein- und ausgeschaltet werden. Neben der daraus resultierenden einfachen und effektiven Handhabung der Zellen zeichnet sich das System durch die hervorragende Qualität der erzeugten Bilddaten und die Kompatibilität mit Standardmikroskopen aus. Diese Aspekte führen zu einer geringen Komplexität, die es sowohl erschwinglich als auch benutzerfreundlich macht. Mit dem entwickelten System zur Zellsortierung konnten Zellen sowohl auf Basis einer zytosolischen Färbung als auch auf Basis morphologischer Eigenschaften bei verschiedenen optischen Vergrößerungen zuverlässig und effizient sortiert werden. Die erreichte Reinheit der Zielzellpopulation betrug bis zu 95% wobei etwa 85% der sortierten Zellen aus dem System zurückgewonnen werden konnten. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der ermittelten Ergebnisse mit theoretischen Überlegungen erreicht. Der erreichte Durchsatz des Systems betrug bis zu 12.000 Zellen pro Stunde. Untersuchungen der Zellvitalität deuteten darauf hin, dass das System eine hohe Biokompatibilität aufweist. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren das Potenzial der bildbasierten Zellsortierung mittels Dielektrophorese. Die herausragende Bildqualität und hochpräzise aber dennoch zellschonende Handhabung der Zellen grenzen das System von anderen Technologien ab. Daraus ergibt sich ein enormes Potenzial für die Verarbeitung wertvoller und sensibler Zellproben. KW - microfluidics KW - cell sorting KW - dielectrophoresis KW - Zellsortierung KW - Dielektrophorese KW - Mikrofluidik Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587421 ER - TY - THES A1 - Störmann, Florian Konstantin T1 - Multifunctional Microballoons for the active and passive control of fluid-flows N2 - Functional materials, also called "Smart Materials", are described by their ability to fulfill a desired task through targeted interaction with its environment. Due to this functional integration, such materials are of increased interest, especially in areas where the increasing micronization of components is required. Modern manufacturing processes (e.g. microfluidics) and the availability of a wide variety of functional materials (e.g. shape memory materials) now enable the production of particle-based switching components. This category includes micropumps and microvalves, whose basic function is the active control of liquid flows. One approach in realizing those microcomponents as pursued by this work, enables variable size-switching of water-filled microballoons by implementing a stimulus-sensitive switching motif in the capsule's membrane shell, while being under the influence of a constant driving force. The switching motif with its gatekeeper function has a critical influence on one or more material parameters, which modulate the capsule's resistance against the driving force in microballoon expansion process. The advantage of this concept is that even non-variable analyte conditions, such as concentration levels of ions, can be capitalized to generate external force fields that, under the control of the membrane, cause an inflation of the microballoon by an osmotically driven water influx. In case of osmotic pressure gradients as the driving force for the capsule expansion, material parameters associated with the gatekeeper function are specifically the permeability and the mechanical stiffness of the shell material. While a modulation of the shell permeability could be utilized to kinetically impede the water influx on large time scales, a modulation of the shell's mechanical stiffness even might be utilized to completely prevent the capsule inflation due to a possible non-deformability beneath a certain threshold pressure. In polymer networks, which are a suitable material class for the demanded capsule shell because of their excellent elasticity, both the permeability and the mechanical properties are strongly influenced by the crystallinity of the material. Since the permeability is effectively reduced with increasing crystallinity, while the mechanical stiffness is simultaneously greatly increased, both effects point in the same direction in terms of their functional relationship. For this reason and due to a reversible and contactless modulation of the membrane crystallinity by heat input, crystallites may be suitable switching motifs for controlling the capsule expansion. As second design element of reversible expandable microballoons, the capsule geometry, defined by an aqueous core enveloped by the temperature-sensitive polymer network membrane, should allow an osmotic pressure gradient across the membrane layer. The strength of the inflation pressure and the associated inflation velocity upon membrane melting should be controlled by the salt concentration within the aqueous core, while a turn in the osmotic gradient should furthermore allow the reversible process of capsule deflation. Therefore, it should be possible to build either microvalves and micropumps, while their intended action of either pumping or valving is determined by their state of expansion and the direction of the osmotic pressure gradient.. Microballoons of approximately 300 µm in diameter were formed via droplet-based microfluidics from double-emulsion templates (w/o/w). The elastomeric capsule membrane was formed by photo-crosslinking of methacrylate (MA) functionalized oligo(ε-caprolactone) precursors (≈ 3.8 MA-arms, Mn ≈ 12000 g mol-1) within the organic medium layer (o) via UV-exposure after droplet-formation. After removal of the toluene/chloroform mixture by slow extraction via the continuous aqueous phase, the capsules solidified under the development of a characteristic "mushroom"-like shape at specific experimental conditions (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min). It could be furthermore shown that in dependency to the process parameters: oligomer concentration and curing-time also spherical capsules were accessible. Long curing-times and high oligomer concentrations at a fixed light-intensity favored the formation of "mushroom"-like capsules, whereas the contrary led to spherical shaped capsules. A comparative study on thin polymer network films of same composition and equal treatment proved a correlation between the film's crosslink density and their contraction capability, while stronger crosslinked polymer networks showed a stronger contraction after solvent removal. In combination with observations during capsule solidification via light-microscopy, where a continuous shaping from almost spherical crosslinked templates to "mushroom"-shaped and solidified capsules was stated, the following mechanism was proposed. In case of low oligomer contents and short curing-times, the contraction of the capsule shell during solvent removal is strongly diminished due to a low degree of crosslinking. Therefore, the solidifying shell could freely collapse onto the aqueous core. In the other case, high oligomer concentrations and long curing-times will favor the formation of highly crosslinked capsule membranes with a strong contraction capability. Due to an observed decentered location of the aqueous core within the swollen polymer network, an uneven radial stress along the capsule's circumference is exerted to the incompressible core. This lead to an uneven contraction during solvent removal and a directed flow of the core fluid into the direction of the minimal stress vector. In consequence, the initially thicker spherical cap contracts, whereas the opposing thinner spherical cap get stretched. The "mushroom"-shape over some advantages over their spherical shaped counterparts, why they were selected for the further experiments. Besides the necessity of a high density of crosslinking for the purpose of extraordinary elasticity and toughness, the form-anisotropy promotes a faster microballoon expandability due to a partial reduction of the membrane thickness. Additionally, pre-stretched regions of thin thickness might provide a better resistance against inflation pressure than spherical but non-stretched capsules of equal membrane thickness. The resulting "mushroom"-shaped microcapsules exhibited a melting point of Tm ≈ 50 - 60 °C and a degree of crystallinity of Xc ≈ 29 - 38 % depending on the membrane thickness and internal salt content, which is slightly lower than for the non-crosslinked oligomer and reasoned by a limited chain mobility upon crosslinking. Nonetheless, the melting transition of the polymer network was associated with a strong drop in its mechanical stiffness, which was shown to have a strong influence on the osmotic driven expansion of the microcapsules. Capsules that were subjected to osmotic pressures between 1.5 and 4.7 MPa did not expand if the temperature was well below the melting point of the capsule's membrane, i.e. at room temperature. In contrast, a continuous expansion, while approaching asymptotically to a final capsule size, was observed if the temperature exceeded the melting point, i.e. 60 °C. Microballoons, which were kept for 56 days at ∆Π = 1.5 MPa and room temperature, did not change significantly in diameter, why the impact of the mechanical stiffness on the expansion behavior is considered to be the greater than the influence of the shell permeability. The time-resolved expansion behavior of the microballoons above their Tm was subsequently modeled, using difusion equations that were corrected for shape anisotropy and elastic restoring forces. A shape-related and expansion dependent pre-factor was used to dynamically address the influence of the shell thickness differences along the circumference on the inflation velocity, whereas the microballoon's elastic contraction upon inflation was rendered by the inclusion of a hyperelastic constitutive model. An important finding resulting from this model was the pronounced increase in inflation velocity compared to hypothetical capsules with a homogeneous shell thickness, which stresses the benefit of employing shape anisotropic balloon-like capsules in this study. Furthermore, the model was able to predict the finite expandability on basis of entropy-elastic recovery forces and strain-hardening effects. A comparison of six different microballoons with different shell thicknesses and internal salt contents showed the linear relationship between the volumetric expansion, the shell thickness and the applied osmotic pressure, as represented by the model. As the proposed model facilitates the prediction of the expansion kinetics depending on the membranes mechanical and diffusional characteristics, it might be a screening tool for future material selections. In course of the microballoon expansion process, capsules of intermediate diameters could be isolated by recrystallization of the membrane, which is mainly caused by a restoration of the membrane's mechanical stiffness and is otherwise difficult to achieve with other stimuli-sensitive systems. The capsule's crystallinity of intermediate expansion states was nearly unchanged, whereas the lamellar crystal size tends to decreased with the expansion ratio. Therefore, it was assumed that the elastic modulus was only minimally altered and might increased due to the networks segment-chain extension. In addition to the volume increase achieved by inflation, a turn in the osmotic gradient also facilitated the reversible deflation, which was shown in inflation/deflation cycles. These both characteristics of the introduced microballoons are important parameter regarding the realization of micropumps and microvalves. The fixation of expanded microcapsules via recrystallization enabled the storage of entropy-elastic strain-energy, which could be utilized for pumping actions in non-aqueous media. Here, the pumping velocity depended on both, the type of surrounding medium and the applied temperature. Surrounding media that supported the fast transport of pumped liquid showed an accelerated deflation, while high temperatures further accelerate the pumping velocity. Very fast rejection of the incorporated payload was furthermore realized with pierced expanded microballoons, which were subjected to temperatures above their Tm. The possible fixation of intermediate particle sizes provide opportunities for vent constructions that allowed the precise adjustment of specific flow-rates and multiple valve openings and closings. A valve construction was realized by the insertion of a single or multiple microballoons in a microfluidic channel. A complete and a partial closing of the microballoon-valves was demonstrated as a function of the heating period. In this context, a difference between the inflation and deflation velocity was stated, summarizing slower expansion kinetics. Overall, microballoons, which presented both on-demand pumping and reversible valving by a temperature-triggered change in the capsule's volume, might be suitable components that help to design fully integrated LOC devices, due to the implementation of the control switch and controllable inflation/deflation kinetics. In comparison to other state of the art stimuli-sensitive materials, one has to highlight the microballoons capability of stabilizing almost continuously intermediate capsule sizes by simple recrystallization of the microballoon's membrane. N2 - Funktionsmaterialien, auch "Smart Materials" genannt, werden durch ihre Fähigkeit, durch die gezielte Interaktion mit seiner Umgebung eine gewünschte Aufgabe zu erfüllen, beschrieben. Aufgrund dieser Funktionsintegration sind solche Materialien vor allem in Bereichen, in denen die zunehmende Mikronisierung von Bauteilen benötigt wird, von gesteigerten Interesse. Moderne Fertigungsverfahren (z..B. Mikrofluidik) und die Verfügbarkeit verschiedenster Funktionsmaterialien (z.B. Formgedächtnismaterialien) ermöglichen heutzutage die Herstellung partikelbasierter Schaltkomponenten. In diese Kategorie fallen unter anderem Mikropumpen und Mikroventile, deren grundsätzliche Funktion die aktive Steuerung von Flüssigkeitsströmen ist. Ein Ansatz zur Realisierung solcher Mikroschalter, der von dieser Arbeit verfolgt wurde, basiert auf wassergefüllten Mikroballons mit einem integrierten stimuli-sensitiven Schaltelement, welche unter dem Einfluss einer konstanten Antriebskraft eine Gröÿenänderung erfahren. Das Schaltmotiv als kontrollierende Instanz entscheidet dabei über die Auswirkung der einwirkenden Kraft auf die Gröÿenänderung durch ihren Einfluss auf einen oder mehrere Materialparameter. Dies ermöglicht die Ausnutzung nicht-variabler Analytbedingungen, wie zum Beispiel Ionenkonzentrationsunterschiede, zur Erzeugung von Kraftfeldern, welche eine Expansion der Mikroballons durch Osmose hervorrufen. Materialparameter welche mit osmotischen Volumenströmen assoziiert sind und diese steuern, sind im Speziellen die Permeabilität und die mechanische Steifigkeit der Kapselmembran. Durch eine Verringerung der Permeabilität kann die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln kinetisch gehemmt und zu langen Zeitperioden hin verschoben werden, wohingegen eine Verstärkung der mechanischen Steifigkeit die Expansion der Kapseln komplett unterbinden kann, indem der angelegte osmotische Druck unterhalb des zur Dehnung notwendigen Schwellendruck liegt.. In Verbindung mit Polymernetzwerken, welche aufgrund ihrer herausragenden Elastizität und Zähfestigkeit eine geeignete Materialklasse für die Herstellung der Kapselmembran darstellen, sind sowohl die Permeabilität als auch die mechanische Steifigkeit mit der Kristallinität des Materials assoziiert. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Permeabilität mit der Kristallinität sinkt, wohingegen die Steifigkeit mit ihr steigt. Die Expansion der Kapseln sollte demnach in Abhängigkeit der Kristallinität des Hüllmaterials ermöglicht oder unterbunden werden können, weswegen sich Kristallite als temperatur-sensitive Schaltmotive eignen sollten. Das zweite Designelement von reversibel expandierbaren Mikroballons wird durch die Kapselgeometrie beschrieben, welche sowohl einen wässrigen Kern als auch eine elastomere, semi-permeable Membran aufweist. Diese Kompartimentierung ermöglicht zum einen die Generierung eines osmotischen Druckgradientens zwischen Kapselkern und Umgebung und zum anderen die Erzeugung einer dünnen und umspannenden Polymermembran. Der osmotische Druck als auch die hiermit einhergehende Expansionsgeschwindigkeit nach Aufschmelzen der Kapselmembran sollte durch das Einstellen des Salzgehaltes des Partikelkerns möglich sein. Eine reversible Kapselschrumpfung nach erfolgter Expansion sollte durch Änderungen des äußeren Salzgehaltes zugänglich sein. Auf Basis dieses Konzepts sollten demnach reversibel schaltbare Mikropumpen und Mikroventile realisierbar sein, wobei die Art ihrer Funktion sowohl von ihrem Expansionszustand als auch von der Richtung des osmotischen Druckgradienten abhängt. Die templat-basierte Erzeugung von Mikroballons mit einem Durchmesser von ca. 300 µm erfolgte aus (w/o/w) Doppelemulsionströpfchen mittels Mikrofluidik. Die elastomere Kapselmembran wurde durch Photovernetzung von Methacrylat funktionalisierten oligo(ϵ-caprolacton) Vorläufern (≈ 3.8 MA-Arme, Mn ≈ 12000 g mol-1) aus der organischen Phase (o) und nach Abschluss der Tröpfchenformierung erzeugt. Nach Verfestigung der Kapselmembran durch langsames extrahieren des Lösungsmittelgemisches (Toluol/Chloroform) über die kontinuierliche wässrige Phase, wurden unter bestimmten Reaktionsbedingungen während der Photovernetzung (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min) formanisotrope "pilzförmige" Mikrokapseln erhalten. Es wurde festgestellt, dass über die Syntheseparameter der Oligomerkonzentration und Belichtungszeit, die Formgebung zwischen kugelförmigen und "pilzförmigen" Kapseln gesteuert werden konnte. Im Fall von niedrigen Oligomerkonzentrationen und kurzen Belichtungszeiten wurden kugelförmige Mikrokapseln und ansonsten "pilzförmige" Kapseln erzeugt. In einer vergleichenden Studie an dünnen Polymernetzwerkfilmen gleicher Zusammensetzung und Behandlung konnte ein Zusammenhang zwischen den beiden Syntheseparametern und der Kontraktilität der Filme bestätigt werden, wobei im Falle höherer Oligomerkonzentrationen und längeren Belichtungszeiten eine stärkere Kontraktion der Filme nach Abdampfen des Lösungsmittelgemisches beobachtet werden konnte. Zusammen mit Beobachtungen eines kontinuierlichen Ausprägens der "Pilzform" von initial annähernd kugelförmigen Kapseln im Laufe des Verfestigungsprozesses mittels Lichtmikroskopie wird folgender Mechanismus der Formausprägung vorgeschlagen. Kapseln mit niedriger Vernetzungsdichte zeigen nur eine geringe Kontraktilität, wodurch das Polymernetzwerk nach Extraktion des Lösungsmittelgemisches frei auf der Kernoberfläche kollabieren kann. Stark vernetzte Kapseln weisen hingegen eine sehr starke Schrumpfung infolge des Lösungsmittelverlustes auf. Aufgrund der nicht mittigen Positionierung des wässrigen Kerns mit Abschluss der Tröpfchenbildung und der darauf ausgebildeten inhomogenen Schichtdickenverteilung ergeben sich unterschiedlich starke radiale Spannungsunterschiede entlang der Membran. Bereiche großer Materialstärke kontrahieren infolge stärker und sorgen für eine Verformung des inkompressiblen wässrigen Kerns in Richtung dünnerer Membransegmente, welche daraufhin gedehnt werden. Nach Abschluss der Membranverfestigung liegen demnach entspannte und stark vorgedehnte Membransegmente vor, die aufgrund der Kristallisation konserviert werden. Die "Pilzform" bietet hinsichtlich der Expansionseigenschaften der Mikroballons einige Vorteile gegenüber ihrem kugelförmigen Pendant, weswegen diese für die weiteren Experimente verwendet wurden. Neben den Anforderung hoher Vernetzungsdichten zum Zwecke der geforderten Elastizität, wird durch die Formanisotropie und der damit verbundenen Schichtdickenunterschiede die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln gesteigert. Weiterhin könnte die Vorstreckung der dünnen Membranschichten eine zusätzliche Stabilität gegenüber dem angelegten osmotischen Drucks aufweisen und somit ein ungewolltes Expandieren unterhalb der Schmelztemperatur erschweren. Die resultierenden "pilzförmigen" Mikroballons wiesen je nach eingestellter Schichtdicke und innerer Salzkonzentration, einen Schmelzpunkt von Tm ≈ 50 - 60 °C und einen Kristallisationsgrad von Xc ≈ 29 - 38 % auf, welche verglichen mit dem unvernetzten PCL Homopolymer geringfügig kleiner waren. Dies liegt zum einen an der erhöhten Anzahl von Kettenenden und zum anderen an der eingeschränkten Kettenmobilität infolge der Oligomervernetzung. Es konnte jedoch weiterhin eine starke Verringerung der mechanischen Steifigkeit nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur beobachtet werden. Der große Einfluss der Temperatur auf die Expansion der Mikroballons konnte für mehrere Kapseln bestätigt werden. Kapseln welche einem osmotischen Druck von 1.5 bis 4.7 MPa ausgesetzt waren zeigten keine Größenveränderung bei Raumtemperatur, d.h. weit unterhalb der Schmelztemperatur. Im Gegensatz hierzu wurde eine starke Volumenzunahme aller Kapseln nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur, bei 60 °C festgestellt. Mikroballons welche für 56 Tage einem osmotischen Druck von 1.5 MPa bei Raumtemperatur ausgesetzt waren zeigten keine signifikanten Volumenänderungen, weswegen insbesondere der Effekt der mechanischen Erweichung ausschlaggebend für das Schaltprinzip gemacht werden kann. Das zeitaufgelöste Expansionsverhalten der Mikroballons oberhalb ihres Schmelzpunktes wurde daraufhin unter Verwendung von Diffusionsgleichungen, welche für die Formanisotropie und elastische Rückstellkräfte korrigiert wurden, modelliert. Ein formabhängiger Vorfaktor, der die Expansionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schichtdickenunterschiede und des Expansionszustandes beschreibt, wurde ebenso eingeführt wie ein Term zur Beschreibung der mechanischen Rückstellkräfte auf Basis eines hyperelastischen Materialmodells. Das Model ermöglichte zum einen eine Beschreibung der endlichen Expandierfähigkeit aufgrund entropie-elastischer Rückstellkräfte sowie aufgrund von Kaltverfestigungen, und zum anderen eine deutliche Beschleunigung des Expandiervorganges aufgrund der Kapselanisotropie. Der Vergleich sechs unterschiedlicher Kapseln mit unterschiedlichen Schichtdicken und inneren Salzgehalten zeigte zudem, in Übereinstimmung mit dem Modell, eine lineare Abhängigkeit von Schichtdicke, osmotischen Druck und der Volumenzunahme. Die mit dem Modell einhergehende Vorhersagemöglichkeit der Expansionskinetik hinsichtlich der mechanischen und diffusionsbedingten Materialcharakteristika stellen somit möglicherweise eine Hilfestellung dar, eine zukünftige Materialauswahl zu treffen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Rekristallisation der Kapselmembran und der damit verbundenen Wiederherstellung der mechanischen Steifigkeit, intermediäre Kapselgrößen isoliert werden konnten, was nach besten Wissen des Standes-der-Technik andernfalls nur schwer zu erreichen ist. Ungeachtet des Expansionsgrades konnten nur geringe Änderungen der Kristallinität festgestellt werden, wohingegen die Kristallgröße mit zunehmender Expansion abnahm. Diesbezüglich wird angenommen dass der Elastizitätsmodulus nur geringfügigen Veränderungen unterliegt oder sogar aufgrund einer Kettenversteifung tendenziell zunimmt. Zusätzlich der Betrachtung einer Volumenzunahme, konnte durch die Änderung des Druckgradienten ebenfalls ein Schrumpfen der Kapseln erreicht werden. Die Reversibilität dieses Prozesses wurde in Expansions/Deflations-Zyklen bestätigt und ist eine wichtige Eigenschaft der Mikroballons hinsichtlich ihrer Verwendung als Mikropumpe und Mikroventil. Die Fixierung expandierter Mikrokapseln durch Rekristallisierung der Membran ermöglichte weiterhin eine Pumpfunktion in nicht-wässrigen Medien. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Pumpleistung sowohl von dem umgebenden Medium als auch von der applizierten Temperatur abhingen. Medien, die einen schnellen Abtransport der freigesetzten Flüssigkeit ermöglichten, als auch hohe Temperaturen steigerten hierbei die Pumpleistung. Mikroballons mit einer sehr großen Auswurfleistung konnten durch das Einbringen einer Öffnung in die Membran erzeugt werden. Die Fixierung intermediärer Kapselgrößen ermöglichte Ventilkonstruktionen, welche eine präzise Flussrateneinstellung und ein vielfaches öffnen und Schließen des Ventils ermöglichte. Diese Konstruktionen wurden durch das Einbringen eines oder mehrerer Mikroballons realisiert. Ein teilweises und vollkommenes Schließen dieser Mikroballon-basierten Ventilen wurde mit einem periodischen Versuchsaufbau in Abhängigkeit der Heizperiode gezeigt. Dabei wurden unterschiedliche Expansions- und Deflationskinetiken mit einem schnelleren Schrumpfverhalten bestätigt. Zusammenfassend wurden Mikroballons entwickelt, welche sowohl eine "on-demand" Pumpfunktion als auch eine reversible Ventilfunktion aufweisen. Die Implementierung des Schaltmotives in die Partikelmembran sowie die kontrollierbaren Expansions/Deflationskinetiken machen die Mikroballons gegebenenfalls zu geeigneten Komponenten für hochintegrierbare LOC-Systeme. Im Vergleich zu anderen Stimuli-sensitiven Materialien ist die Möglichkeit der nahezu kontinuierlichen Stabilisierung von intermediärer Partikelgrößen hervorzuheben. Dieses Verhalten wird dabei durch Wechselspiel zwischen Materialeigenschaften und Kapselgeometrie erzeugt. KW - microcapsules KW - expansion KW - stimuli-sensitivity KW - microfluidics KW - polymer network KW - Mikrokapseln KW - expandierbar KW - Stimuli-Sensitivität KW - Mikrofluidik KW - Polymernetzwerk Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Chandrakanth Shetty, Sunidhi T1 - Directed chemical communication in artificial eukaryotic cells T1 - Gezielte chemische Kommunikation in künstlichen eukaryotischen Zellen N2 - Eukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches. Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previously reported multi-compartment systems adopt bulk method- ologies which suffer from low yield and poor control over size. Microfluidic strategies help circumvent these issues and facilitate a high-throughput and robust technique to assemble MVVs of uniform size distribution. In this thesis, firstly, the bulk methodologies are explored to build MVVs and implement a synthetic signalling cascade. Next, a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic platform is introduced to build MVVs and the significance of PEGylated lipids for the successful encapsulation of inner com- partments to generate stable multi-compartment systems is highlighted. Next, a novel two-inlet channel PDMS-based microfluidic device to create MVVs encompassing a three-step enzymatic reaction cascade is presented. A directed reaction pathway comprising of the enzymes α-glucosidase (α-Glc), glucose oxidase (GOx), and horseradish peroxidase (HRP) spanning across three compartments via reconstitution of size-selective membrane proteins is described. Furthermore, owing to the monodispersity of our MVVs due to microfluidic strategies, this platform is employed to study the effect of com- partmentalization on reaction kinetics. Further integration of cell-free expression module into the MVVs would allow for gene-mediated signal transduction within artificial eukaryotic cells. Therefore, the chemically inducible cell-free expression of a membrane protein alpha-hemolysin and its further reconstitution into liposomes is carried out. In conclusion, the present thesis aims to build artificial eukaryotic cells to achieve size-selective chemical communication that also show potential for applications as micro reactors and as vehicles for drug delivery. N2 - Eukaryontische Zellen können als komplexe Mikroreaktoren betrachtet werden, die in der Lage sind, verschiedene biochemische Reaktionen parallel durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung dieser komplexen Stoffwechselreaktionen ist die Entwicklung von Organellen mit Lipidmembranen, die eine Kompartimentierung von Reaktionen und Biomolekülen ermöglichen. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle über die Stoffwechselreaktionen innerhalb des zellulären Systems. Die durch die Kompartimentierung entstehende intrazelluläre Organisation ist ein Schlüsselmerkmal aller lebenden Zellen und hat synthetische Biologen dazu inspiriert, solche Systeme mit Bottom-up-Ansätzen zu entwickeln. Künstliche Zellen bieten eine ideale Plattform, um spezifische Reaktionen zu isolieren und zu untersuchen, ohne dass das komplexe Netzwerk von Biomolekülen, das in biologischen Zellen vorhanden ist, stört. Um die hierarchische Architektur eukaryontischer Zellen zu imitieren, haben sich Multikompartiment-Anordnungen mit verschachtelten liposomalen Strukturen, die auch als multivesikuläre Vesikel (MVV) bezeichnet werden, durchgesetzt. Die meisten der bisher vorgestellten Multikompartiment-Systeme basieren auf Bulk-Methoden, die eine geringe Ausbeute und eine schlechte Kontrolle über die Größe aufweisen. Mikrofluidische Strategien helfen, diese Probleme zu umgehen und ermöglichen eine robuste Technik mit hohem Durchsatz, um MVVs mit einheitlicher Größenverteilung herzustellen. In dieser Dissertation werden zunächst die Bulk-Methoden zum Aufbau von MVVs und zur Implementierung einer synthetischen Signalkaskade untersucht. Anschließend wird eine auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierende mikrofluidische Plattform zur Herstellung von MVVs vorgestellt und die Bedeutung von PEGylierten Lipiden für die erfolgreiche Verkapselung der inneren Kompartimente zur Erzeugung stabiler Multikompartiment-Systeme hervorgehoben. Es wird ein neuartiges mikrofluidisches Gerät mit zwei Einlasskanälen auf PDMS-Basis zur Herstellung von MVVs vorgestellt, das eine dreistufige enzymatische Reaktionskaskade umfasst. Es wird ein gerichteter Reaktionsweg beschrieben, der die Enzyme α-Glucosidase (α-Glc), Glucoseoxidase (GOx) und Meerrettichperoxidase (HRP) umfasst und sich über drei Kompartimente erstreckt, die durch die Rekonstitution von größenselektiven Membranproteinen entstehen. Aufgrund der Monodispersität unserer MVVs durch mikrofluidische Strategien nutze ich diese Plattform außerdem, um die Auswirkungen der Kompartimentierung auf die Reaktionskinetik zu untersuchen. Eine weitere Integration von zellfreien Expressionsmodulen in MVVs würde eine genvermittelte Signaltransduktion in künstlichen eukaryotischen Zellen ermöglichen. Daher wird die chemisch induzierbare zellfreie Expression eines Membranproteins alpha-Hämolysin und seine weitere Rekonstitution in Liposomen durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit darauf abzielt, künstliche eukaryotische Zellen zu bauen, um eine größenselektive chemische Kommunikation zu erreichen, und das Potenzial für Anwendungen als Mikroreaktoren und als Vehikel für die Verabreichung von Medikamenten aufweisen. KW - microfluidics KW - synthetic biology KW - Mikrofluidik KW - synthetische Biologie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-533642 ER - TY - THES A1 - Cerdá Doñate, Elisa T1 - Microfluidics for the study of magnetotactic bacteria towards single-cell analysis N2 - Magnetotactic bacteria comprise a heterogeneous group of Gram negative bacteria which share the ability to synthesise intracellular magnetic nanoparticles surrounded by a lipid bilayer, known as magnetosomes, which are arranged in linear chains. The bacteria exert a unique level of control onto the biomineralization of these nanoparticles, which is seen in the controlled size and shape they have. These characteristics have attracted great attention on understanding the process by which the bacteria synthesise the magnetosomes. Moreover, the magnetosome chain impart the bacteria with a net magnetic dipole which makes them susceptible to interact with magnetic fields and thus orient with the Earth’s magnetic field. This feature has attracted as well much interest to understand how the swimming motility of these microorganisms is affected by the presence of magnetic fields. Most of the studies performed in these bacteria so far have been conducted in the traditional manner using large populations of cells. Such studies have the disadvantage of averaging many different individuals with heterogeneous behaviours and fail to consider individual variations. In addition, in large populations each bacterium will be subjected to a different microenvironment that will influence the bacterial behaviour, but which cannot be defined using these traditional methods. In this thesis, different microfluidic platforms are proposed to overcome these limitations and to offer the possibility to study magnetotactic bacteria in defined environments and down to a single-cell resolution. First, a sediment-like microfluidic platform is presented with the purpose of mimicking the porous environment they bacteria naturally dwell in. The platform allows to observe via transmitted light microscopy that bacterial navigation in crowded environments is enhanced by the Earth’s magnetic field strengths (B = 50 μT) rather than by null (B = 0 μT) or higher magnetic fields (B = 500 μT). Second, a microfluidic system to confine single-bacterial cells in physically defined environments is presented. The system allows to study via transmitted light microscopy the interplay between wall curvature, magnetic fields and bacterial speed affect the motion of a confined bacterium, and shows how bacterial trajectories depend on those three parameters. Third, a microfluidic platform to conduct semi in vivo magnetosome nucleation with a single-cell resolution via X-ray fluorescence is fabricated. It is shown that signal arising from magnetosome full chains can be observed individually in each bacterium. Finally, the iron uptake kinetics of a single bacterium are studied via a fluorescent reporter through confocal microscopy. Two different approaches are used for this: one of the previously mentioned platforms, as well as giant lipid vesicles. It is observed how iron uptake rates vary between cells, as well as how these rates are consistent with magnetosome formation taking place within some hours. The present thesis shows therefore how microfluidic technologies can be implemented for the study of magnetotactic bacteria at different degrees, and the level of resolution that can be attained by going into the single- cell scale.
 N2 - Magnetotaktische Bakterien gehören einer heterogenen Gruppe gramnegativer Bakterien an, welche die Fähigkeit zur Synthese intrazellulärer magnetischer Nanopartikel teilen. Diese Partikel, genannt Magnetosomen, sind von einer Doppellipidschicht umgeben und ordnen sich in linearen Ketten an. Die Bakterien haben ein einzigartiges Maß an Kontrolle über die Biomineralisation dieser Nanopartikel, welche sich in der genau bestimmten Größe und Form zeigt. Diese besonderen Eigenschaften haben die Aufmerksamkeit auf ein besseres Verständnis der Magnetosomensynthese durch die Bakteriengezogen. Darüber hinaus besitzen die Bakterien durch die Magnetosomenkette ein magnetisches Dipolmoment, welches sie befähigt auf ein Magnetfeld zu reagieren, wodurch sie sich im Magnetfeld der Erde ausrichten können. Auch diese Eigenschaft hat großes Interesse geweckt, besonders um den Einfluss eines Magnetfeldes auf das Schwimmverhalten der Mikroorganismen besser zu verstehen. Die meisten bisherigen Studien an diesen Organismen wurden in klassischen Systemen mit großen Populationen durchgeführt. Solche Studien haben den Nachteil, dass das heterogene Verhalten vieler verschiedener Individuen gemittelt wird und daher individuelle Variationen nicht berücksichtigt werden. Zusätzlich ist jedes einzelne Bakterium einer großen Population einer anderen Mikroumgebung ausgesetzt, welche sein Verhalten beeinflusst, das aber durch die Verwendung traditioneller Methoden nicht erfasst werden kann. In dieser Arbeit werden verschiedene mikrofluidische Plattformen vorgestellt, um diese Einschränkungen zu überwinden und die Möglichkeit zu bieten, sogar einzelne magnetotaktische Bakterien in einer definierten Umgebung studieren zu können. Als erstes wird eine Sediment-ähnliche mikrofluidische Plattform vorgestellt, die den Zweck hat, die natürliche poröse Umgebung der Bakterien zu imitieren. Die Plattform erlaubt es mit Hilfe von Durchlichtmikroskopie zu sehen, dass Bakterien in einer gedrängten Umgebung eine verbesserte Navigation im Bereich der Erdmagnetfeldstärke (B = 50 μT) haben, im Vergleich zu keinem (B = 0 μT) oder einem höheren Magnetfeld 
 (B = 50μT). Zweitens wurde ein mikrofluidisches System zum Eingrenzen einzelner Bakterien in einer physisch definierten Umgebung entwickelt. Das System erlaubt mit Hilfe von Durchlichtmikroskopie die Untersuchung des Einflusses und des Zusammenspiels von Wandkrümmung, Magnetfeld und Bakteriengeschwindigkeit auf die Bewegung eines eingegrenzten Bakteriums und zeigt, wie die Bewegungspfade der Bakterien von diesen drei Faktoren abhängen. Drittens wurde eine mikrofluidische Plattform hergestellt, die die Durchführung von semi in-vivo Magnetosomenkeimbildung mit einer Auflösung von einzelnen Zellen mittels Röntgenfluoreszenz ermöglicht. Signale, welche von einer kompletten Magnetosomenkette herrühren, können in individuellen Bakterien beobachtet werden. Abschließend wurde die Kinetik der Eisenaufnahme eines einzelnen Bakteriums durch einen fluoreszierenden Reporter mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie untersucht. Zwei verschiedenen Ansätze wurden dabei verwendet: eine der bereits vorgestellten Plattformen, sowie riesige Lipidvesikel. Es wurde beobachtet, dass die Eisenaufnahmerate zwischen verschiedenen Zellen variiert und wie sich damit übereinstimmend Magnetosomen innerhalb von Stunden bilden. Diese Arbeit zeigt damit wie mikrofluidische Technologien für die Untersuchung magnetotaktischer Bakterien in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden können, und welches Level an Auflösung erreicht werden kann, indem mit einzelnen Zellen gearbeitet wird.
 KW - Magnetotactic bacteria KW - microfluidics KW - single-cell KW - iron KW - microscopy Y1 - 2020 ER - TY - JOUR A1 - Vergani, Marco A1 - Carminati, Marco A1 - Ferrari, Giorgio A1 - Landini, Ettore A1 - Caviglia, Claudia A1 - Heiskanen, Arto A1 - Comminges, Clement A1 - Zor, Kinga A1 - Sabourin, David A1 - Dufva, Martin A1 - Dimaki, Maria A1 - Raiteri, Roberto A1 - Wollenberger, Ursula A1 - Emneus, Jenny A1 - Sampietro, Marco T1 - Multichannel bipotentiostat integrated with a microfluidic platform for electrochemical real-time monitoring of cell cultures JF - IEEE Transactions on biomedical circuits and systems N2 - An electrochemical detection system specifically designed for multi-parameter real-time monitoring of stem cell culturing/differentiation in a microfluidic system is presented. It is composed of a very compact 24-channel electronic board, compatible with arrays of microelectrodes and coupled to a microfluidic cell culture system. A versatile data acquisition software enables performing amperometry, cyclic voltammetry and impedance spectroscopy in each of the 12 independent chambers over a 100 kHz bandwidth with current resolution down to 5 pA for 100 ms measuring time. The design of the platform, its realization and experimental characterization are reported, with emphasis on the analysis of impact of input capacitance (i.e., microelectrode size) and microfluidic pump operation on current noise. Programmable sequences of successive injections of analytes (ferricyanide and dopamine) and rinsing buffer solution as well as the impedimetric continuous tracking for seven days of the proliferation of a colony of PC12 cells are successfully demonstrated. KW - Electrochemical measurements KW - impedance spectroscopy KW - microfluidics KW - multichannel potentiostat KW - stem cell monitoring Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1109/TBCAS.2012.2187783 SN - 1932-4545 VL - 6 IS - 5 SP - 498 EP - 507 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Westendorf, Christian A1 - Negrete, Jose A1 - Bae, Albert J. A1 - Sandmann, Rabea A1 - Bodenschatz, Eberhard A1 - Beta, Carsten T1 - Actin cytoskeleton of chemotactic amoebae operates close to the onset of oscillations JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - The rapid reorganization of the actin cytoskeleton in response to external stimuli is an essential property of many motile eukaryotic cells. Here, we report evidence that the actin machinery of chemotactic Dictyostelium cells operates close to an oscillatory instability. When averaging the actin response of many cells to a short pulse of the chemoattractant cAMP, we observed a transient accumulation of cortical actin reminiscent of a damped oscillation. At the single-cell level, however, the response dynamics ranged from short, strongly damped responses to slowly decaying, weakly damped oscillations. Furthermore, in a small subpopulation, we observed self-sustained oscillations in the cortical F-actin concentration. To substantiate that an oscillatory mechanism governs the actin dynamics in these cells, we systematically exposed a large number of cells to periodic pulse trains of different frequencies. Our results indicate a resonance peak at a stimulation period of around 20 s. We propose a delayed feedback model that explains our experimental findings based on a time-delay in the regulatory network of the actin system. To test the model, we performed stimulation experiments with cells that express GFP-tagged fusion proteins of Coronin and actin-interacting protein 1, as well as knockout mutants that lack Coronin and actin-interacting protein 1. These actin-binding proteins enhance the disassembly of actin filaments and thus allow us to estimate the delay time in the regulatory feedback loop. Based on this independent estimate, our model predicts an intrinsic period of 20 s, which agrees with the resonance observed in our periodic stimulation experiments. KW - Dictyostelium discoideum KW - microfluidics KW - caged cAMP KW - delay-differential equation Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1216629110 SN - 0027-8424 VL - 110 IS - 10 SP - 3853 EP - 3858 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Hasinovic, Hida A1 - Friberg, Stieg E. A1 - Kovach, Ildyko A1 - Koetz, Joachim T1 - Janus emulsion drops - equilibrium calculations JF - Journal of dispersion science and technology N2 - Experimental results indicated the contact angles in the drops of Janus emulsions formed in a one-step mixing process to be invariant within a significant range the oil volume ratios, similar to the results from microfluidics emulsification. Since this result points to a connection between the kinetically formed emulsions and the local equilibrium topology of emulsion drops, the effect of interfacial tensions on the morphology of Janus emulsions was estimated from the equilibrium interfacial tensions at the line of contact. Realistic values of the tensions revealed the limited range of these to obtain Janus drops and also offered correlation between the equilibrium entities and the curvature of the interface between the two oils. KW - Drop morphology KW - equilibrium topology KW - Janus emulsions KW - microfluidics KW - multiple emulsion preparation Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1080/01932691.2013.763728 SN - 0193-2691 SN - 1532-2351 VL - 34 IS - 12 SP - 1683 EP - 1689 PB - Taylor & Francis Group CY - Philadelphia ER -