Biosensor teori

Du kan downloade Biosensor teorien som PDF her: Biosensor teori som PDF


Inden du starter...

For at kunne forstå teorien som ligger til grund for en biosensor er det vigtigt at du har styr på nogle generelle mikro/molekyler biologiske principper, begreber og metoder. Du behøver ikke forstå emnerne helt i dybden, men blot have et kendskab til dem. Her er en liste over ting du bør have kendskab til inden du læser biosensor teorien:

  • Det centrale dogme
  • Kendskab til E. coli bakterier som modelorganisme
  • Plasmider/ekspressionsvectorer 
  • Restrictionsenzymer, ligase og hvordan de anvendes til molekylærbiologisk arbejde
  • Heat-shock transformation
  • Genelementer: Promoter, ribosomalt bindingssted (RBS), kodende DNA sekvens (CDS – fra det engelske coding DNA sequence), terminator og origin of replication (ori)
  • Genregulering
  • Antibiotika og brugen af antibiotika som selektionsmarkør.

Hvis der er nogle af de ovenstående emner du ikke er bekendt med eller bare gene vil have opfrisket så kan du finde emnet under Teori: Baggrund her på hjemmesiden.


Indledning

Der findes flere forskellige typer af biosensorer. Med Biotech Academy’s Biosensor kit kan du lave såkaldte “helcelle biosensorer”. En helcelle biosensor er en bakterie eller en anden organisme, som kan detektere et input og respondere med et output. Man kan altså bruge en biosensor til at undersøge hvorvidt et bestemt molekyle eller atom er til stede. Det kan bruges i mange sammenhænge f.eks. medicinske eller miljømæssige. Her kommer et eksempel på en biosensor fra den virkelige verden.


Eksempel på en biosensor: Planter som detekterer sprængstof

Forskere har genmodificeret tobaksplanten Nicotiana tabacum til at detektere TNT (et sprængstof som bruges i mange bomber og miner). Plantens response på TNT er at miste sin grønne farve. Man kan altså bruge denne biosensor til f.eks. at finde miner som ligger begravet under jorden. Forskerne mener at de er i stand til at få planten til at detektere andre molekyler såsom forurening eller andre skadelige gasser. Således kunne planten vokse i f.eks. storcentre el.lign. for at holde øje med skadelige stoffer i luften. Du kan finde den originale videnskabelig artikel her [1].


Eksempel på en biosensor: Bakterier detektere forurenet vand

Et nystartet Amerikansk firma (FREDsense) har udviklet et måleinstrument, som kan måle indholdet af grundstoffet Arsen i en vandprøve. Arsen kan forårsage sygdomme i blodbanerne samt cancer. FREDsense’s måleinstrument indeholder en kapsel med genmodificerede bakterier, som kan detektere Arsen i vandprøven. Præcis hvordan det virker vil virksomheden ikke afsløre, men den kunne fungere på samme måde som biosensorerne du kan lave med Biotech Academy’s biosensor kit. Virksomheden er også ved at udvikle måleinstrumenter til at måle indholdet af jern og mangan i vandprøver. Du kan læse mere på virksomhedens egen hjemmeside: www.fredsense.com [2].


Biotech Academy’s Biosensor Niveau 1

I Biosensor kittet findes to niveauer; niveau 1 og niveau 2. En niveau 1 biosensor kan ikke detektere noget, men blot udtrykke et responsgen. Det kunne f.eks. være et rødt eller lilla farveprotein eller et grønt fluorescerende protein (Figur 1). Fordi en niveau 1 biosensor ikke kan detektere noget er det ikke rigtigt en biosensor, men fremgangsmåden hvormed du laver en niveau 1 biosensor er den samme som en niveau 2 biosensor. En niveau 1 biosensor nemmere at få til at fungere derfor er kan det være en fordel først at lave en niveau 1 biosensor før du går til niveau 2.


 Tre_N1Biosensorer

Figur 1 viser billeder af tre niveau 1 biosensorer med hver sit responsgen. Der er brugt følgende responsgener (venstre til højre); DsRFP (stærk RBS), amilCP og GFP.

 

For at lave en niveau 1 biosensor med Biosensor kittet skal du sammensætte to stykker DNA. Således at de tilsammen danner et såkaldt biosensor plasmid. Dette plasmid transformeres derefter ind i E. coli bakterier som dermed bliver genmodificeret til f.eks. være røde eller lilla (Figur 2).


N1_forskellige_responsgener_hjemmeside

Figur 2. To stykker DNA sammensættes til et plasmid som transformeres ind i en E. coli bakterie. Bakterien vil nu være forskellig farvet alt efter hvilket responsgen som bliver brugt. Rektanglerne angiver den kodende DNA sekvens for et lilla farveprotein (øverst) eller et rødt farveprotein (nederst) som er en del af hver deres responsgen. Altså bestemmer responsgenet hvilken farve bakterien bliver.

 

Lad os tage et nærmere kig på de to stykker DNA som skal sammensættes. Det ene indeholder fire genelementer: en promoter, et origin of replication (ori), et chloramphenicol (Cam) resistensgen og en terminator. Dette DNA stykke kaldes Detektionsgenet (Figur 3a). Det andet DNA stykke kaldes responsgenet og indeholder to genelementer: et ribosomalt binding sted (RBS – også kendt som Shine-Delgarno sekvens) og en kodende DNA sekvens (CDS – fra det engelske navn coding DNA sequence). Når detektionsgenet og responsgenet bliver korrekt sammensat danner de til sammen et funktionelt biosensor plasmid (Figur 3a). Promotoren i detektionsdelen er en såkaldt konstitutiv promoter og vil dermed altid være aktiv, dvs. at den altid udtrykker det DNA som ligger efter (også kaldet ”nedstrøms for”) promoteren. I det nyligt sammensatte plasmid ligger responsgenet nedstrøms for promoteren og bliver dermed udtrykt. Hvis den kodende DNA sekvens i responsgenet koder for et rødt farveprotein vil bakterien altså udtrykke dette protein og bakterien vil være rød. Hvis responsgenet istedet indeholder sekvensen for et lilla farveprotein bliver bakterierne lilla. På den måde kan du med valget af responsgen bestemme hvilken farve din biosensor skal have (Figur 2). I biosensor kittet findes forskellige responsgener som alle giver din biosensor en egenskab, f. eks. at gøre biosensor bakteriene en bestemt farve eller gøre dem i stand til at fluorescere. Du kan læse mere om de forskellige typer af responsgener længere nede på siden eller udforske de enkelt responsgener som finde i biosensor kittet nederst på forsidesiden af biosensor.dk.

 

amilCPBiosensor2

Figur 3 Et plasmidkort over et biosensor plasmid til en niveau 1 biosensor. Plasmidet seks genelementer: konstitutiv promoter (grøn pil), ribosomalt bindingssted (Pink oval), kodende DNA sekvens for responsegen (lilla rektangel), terminator (Rød sekskant), origin of replication (gul cirkel) og chloramphenicol resistensgen (orange rektangel). Detektor- og responsgenet er markeret med stiplede røde linjer.

 

Lad os udnytte lejligheden til at genopfriske det centrale dogme, for hvad menes der egentligt med at responsgenet bliver udtrykt? Vi bruger et biosensor plasmid med et lilla responsgen som eksempel. Når biosensor plasmidet er blevet transformeret ind i E. coli bakterierne, vil RNA polymeraser binde sig til promoteren, køre langs DNA strengen og bruge den som skabelon til at syntetisere en mRNA streng. Når RNA polymerase kommer til terminatoren (den røde sekskant) hopper RNA polymerasen af DNA strengen og frigiver mRNA strengen – denne proces kaldes som bekendt transskription. mRNA strengen indeholder to genelementer: ribosomalt bindings sted og den kodende DNA sekvens for det lilla farveprotein. Ribosomerne i bakterien kan nu binde sig til det ribosomale bindings sted og begynde at translatere den kodende DNA sekvens på mRNA strengen til det lilla farveprotein (Figur 4). Når en tilstrækkelig stor mængde af lilla farveprotein er blevet produceret i bakterien, vil man med det blotte øje kunne se at den er lilla.


BiosensorCentDogme
 

Figur 4 viser den proces som sker inde i en E. coli bakterie, når den indeholder et biosensor plasmid. Plasmid DNA’et bliver først transskriberet til mRNA, dernæst translateret til et protein, dette protein giver bakterierne den synligt lilla farve. Protein strukturen som er vist på figuren er ikke strukturen den rigtige struktur af amilCP. Billede reference: [3].


Origin of replication og Chloramphenicol resistensgen

Vi har undersøgt funktionen af fire ud de seks genelementer som findes i et biosensor plasmid. De to sidste Origin of replication og chloramphenicol resistensgenet er også essentielle for biosensoren. Origin of replication sørger for at bakterierne kan replicere biosensor plasmidet lige som at bakterierne replicere deres egen kromosom. Hvis ikke origin of replication var i plasmidet ville plasmidet ikke bliver ført videre når en bakterie delte sig. Dermed ville kun meget få bakterier have biosensor plasmid og udtrykke responsgenet (f.eks. det lilla farveprotein). Det ville derfor være meget svært af se om din biosensor virker, da det ikke ville være muligt at se de få lilla bakterie blandt de mange ufarvede. Chloramphenicol resistensgenet bruges som selekionsmarkør; når bakterierne transformeres er det kun meget få som optager biosensor plasmidet. For at finde lige netop de bakterier som har optaget plasmidet vokses bakterierne på et medium med antibiotikummet chloramphenicol i. Dermed er det kun de bakterier som er resistente overfor chloramphenicol som kan overleve. Biosensor plasmidet indeholder et chloramphenicol resistensgen og derfor er disse bakterier resistente.

 

Typer af responsgener

Der findes mange forskellige måder hvor på biosensore kan give et respons – det vigtigste er at bakterierne giver et respons som vi mennesker kan se eller måle med et instrument. I biosensor kittet findes forskellige typer af responsgener. Her følger en overordnet forklaring af de forskellige typer. Nederst på forsiden af biosensor.dk kan du klikke dig ind på de enkelte responsgener hvis du vil læse mere specifikt om de enkelte gener.

 

Farveprotein eller Chromoproteiner

Den mest oplagt form for respons er noget som vi kan se uden hjælp fra noget udstyr. Det kan vi med chromoproteiner. Chromoproteiner giver bakterierne en farve inden for det synlige lys-spektrum. Generelt fungere chromoproteiner ved at absorbere en af det synlige lys. Hvis protein f.eks. er i stand til at absorbere de røde, gul og grønne bølgelængder (fra ca. 500 nm – 700 nm) vil der kun være det lilla og blå lys tilbage, hvilket vil blive reflekteret. Hvis en bakterie indeholder sådan et protein vil den altså have en blå-lilla farve [4].

 

Fluorescerende proteiner

Du kan måske huske begrebet fluorescens fra fysik timerne. Det foregår når et molekyle kan optage energien fra lys af en bestemt bølgelængde for derefter af udsende lys ved en anden bølgelængde. Man siger at molekylet exciteres af lys ved én bølgelængde, hvorefter at det emitterer lys ved en anden bølgelængde. Nogle proteiner har denne egenskab, disse kaldes fluorescerende proteiner. De minder altså om chromoproteiner, da de giver bakterierne en farve. Det er dog nødvendigt at excitere fluorescerende proteiner med lys af en bestemt bølgelængde for at de udviser deres farve. Det bedste eksempel er nok grønt fluorescerende protein (GFP) som kræver excitation af UV-lys for at den grønne farve kan ses.


For at se hvordan du kan lave din egen biosensor skal du læse biosensor forsøgsvejledningen som kan findes her: Forsøgsvejledning.


Referencer

[1]         M. S. Antunes, K. J. Morey, J. Jeff Smith, K. D. Albrecht, T. A. Bowen, J. K. Zdunek, J. F. Troupe, M. J. Cuneo, C. T. Webb, H. W. Hellinga, and J. I. Medford, “Programmable ligand detection system in plants through a synthetic signal transduction pathway,” PLoS One, vol. 6, no. 1, 2011.

[2]         “FREDsense hjemmeside,” https://www.fredsense.com/. .

[3]         “GFP struktur,” https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/GFP_structure.png.

[4]         N. O. Alieva, K. A. Konzen, S. F. Field, E. A. Meleshkevitch, M. E. Hunt, V. Beltran-Ramirez, D. J. Miller, J. Wiedenmann, A. Salih, and M. V. Matz, “Diversity and evolution of coral fluorescent proteins,” PLoS One, vol. 3, no. 7, 2008.