Online determination of microbial and cellular metabolism activity by a novel electrochemical bioactivity-measuring-system - activity studies from biotechnological processes and toxicological investigations with the view of reducing animal testing

Michael Pescheck, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Dizertační práce prezentuje elektrochemický in vitro biosensorový systém, který umožňuje přímé sledování metabolické aktivity prokaryotických nebo eukaryotických buněk. Systém byl testován pro různé aplikace jako kultivační procesy (detekce růstových parametrů při fermentacích), systém pro sledování kvality startovacích kultur v potravinářství a sledování účinků toxických látek na savčí buňky, sinice a řasy. Hodnocení je založeno na amperometrii se záznamem křivek změn proudu na čase, které reflektují produkci mediátorových molekul buňkami. Před měřením se využívá imobilizace vhodných mediátorových látek v gelu (Sephadex). Signál senzoru přímo detekuje množství a viabilitu živých buněk/microorganismů. V rámci dizertace byly optimalizovány a testovány různé modifikace sensoru a byly využity pro testování toxicity a ekotoxicity in vitro. Výsledky prokázaly dobrou korelaci s referenčními metodami. Inovativní uspořádání biosensoru otevírá možnosti širokého využití v různých odvětvích biotechnologického průmyslu a ve výzkumných aplikacích včetně environmentální toxikologie.

Abstract:

In this work an electrochemical in vitro biosensor system is presented that directly reflects the metabolic activity of prokaryotic and eukaryotic cells. It was tested in different applications, such as cultivation processes to detect growth parameters in fermentation processes, as a quality measurement system for the use of starter cultures in the food industry and finally for the determination of toxicity effects on mammalian cells, cyanobacteria and algae. The evaluation was based on amperometric measurements. Current-time curves were recorded of a potentiostatic measurement produced by biologically reduced mediator molecules. Before starting the measurements the biological component and the mediator molecules were immobilized in a SephadexTM gel structure. Depending on the number of metabolically reduced mediator molecules, a current signal is produced which rapidly provides information about the viability of living cells/organisms. The received current signal is directly proportional to the activity of the used organisms or cells. In this thesis, studies with different sensor set-ups were developed and their effectiveness in toxicity and ecotoxicity tests was investigated. The electrochemical biosensor shows a good correlation with results from the reference methods used. This novel biosensor setup opens up many applications in various fields of the biotechnological industry and in research applications, including environmental toxicology.

Keywords

Mediator, Biosensor, Electrochemical sensor, Algae, Cyanobacteria, Toxicity test, Bioelectrochemistry, Cytotoxicity, Mammalian cells, IC50, Toxicological risk, Bioactivity sensor, Amperometric measurement.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 3. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 27. 3. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D.
• Reader: Ph.D. Sergio Jarque Ortiz, Prof. Dr. Ing. Peter Czermak

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ecotoxicology