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Titelaufnahme

Titel
Development of an olfactory bio-nano-sensor system based on reduced graphene oxide field effect transistor / eingereicht von Dipl.-Ing. Caroline Kotlowski
VerfasserKotlowski, Caroline
Begutachter / BegutachterinHaick, Hossam ; Schuster, Bernhard
GutachterKnoll, Wolfgang
ErschienenWien, Mai 2016
Umfang136 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Biosensor / reduziertes Graphenoxid / Feldeffekttransistor / Geruchssinn / Odorant bindendes Protein / Aptamer / Langmuir model
Schlagwörter (EN)Biosensor / reduced graphene oxide / field effect transistor / olfaction / odorant binding protein / aptamer / ligand / molecular recognition / Langmuir model
Schlagwörter (GND)Biosensor / Duftstoff / Proteinbindung
URNurn:nbn:at:at-ubbw:1-17671 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Development of an olfactory bio-nano-sensor system based on reduced graphene oxide field effect transistor [11.08 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Der Geruchssinn wurde von der Evolution konserviert, was verdeutlicht wie wichtig und vor allem wie gut funktionierend dieses System ist. Odorant bindende Proteine (OBPs) binden Duftstoffe selektiv und stellen daher Weichen welcher Duftstoff in das Geruchswahrnehmungssystem aufgenommen wird und welcher nicht. Inspiriert durch diese Proteine wurde ein Biosensor entwickelt. Um die Aktivität dieser Proteine aufzunehmen wurden solche OBPs auf der Biosensoroberfläche immobilisiert. Auf diesem Wege präsentiert die Arbeit einen auf reduziertem Graphenoxid basierenden Feldeffekttransistor (rGO-FET) funktionalisiert mit Odorant bindenden Proteinen für die Detektion von kleinen Molekülen - wie es Duftstoffe sind - in Echtzeit. Die Ergebnisse zeigen wie gut sich AmelOBP14 - das OBP von der Honigbiene Apis mellifera - für Biosensoren eignet. Wenn dieses OBP immobilisiert wird ist es möglich Odoranten zu binden und verschiedene Odoranten selektiv zu detektieren. Des weiteren wird gezeigt wie mit rekombinanten OBP die Affinität von dem Biosensor beeinflusst werden kann. Diese Methode ermöglichte die Suche von potentiellen Interaktionspartnern von OBP von dem Käfer Tribolium castaneum. Die OBPs Tcas OBP9A und B wurden als Detektoren von landwirtschaftlichen Schädlingsbefall-Markern: 6-Methyl-5-hepten-2-one und (S)-(+)-3-Octanol identifiziert. Die Entschlüsselung der Fähigkeit von Odoranten i) mit Proteinen zu interagieren, und ii) den Insektengeruchssinn - die Antennen - zu aktivieren wurde mit zweierlei Biosensoren untersucht, in- vitro und in-vivo. Die in-vitro Methode besteht aus einem OBP-funktionalisierten rGO-FET welcher die Duftstoffinteraktion mit den OBP registriert. Eine zweite orthogonale Methode ermöglichte die Identifizierung der Fähigkeit von Duftstoffen den Geruchssinn vom Käfer zu aktivieren in-vivo. Neben der Detektion von schwach bindenden Odoranten durch OBPs, wurden medizinische Anwendungen wie die Detektion von Antikörpern, Toxinen, sowie die Aptamer basierende Hormondetektion mit dem Biosensor dargestellt. Diese Arbeit präsentiert einen bio-elektro-grenzflächenaktiven Nanosensor für die Detektion in Echtzeit und im Hochdurchsatz, und die quantitative Analyse von Protein-Liganden Interaktionen basierend auf der Detektion mit rGO-FET.

Zusammenfassung (Englisch)

The evolutionary conservation of the sense of smell tells how important and well-functioning it is. Olfactory proteins (odorant binding proteins, OBPs) are capturing selectively a set of small molecules and therefore deciding which ones are sensed to be odorous and which ones not. Inspired by these proteins, the latest generation of biosensors relies on the binding capabilities of odorant binding proteins, communicatively linked to an electronic transducer. Along these lines a reduced graphene oxide field effect transistor is presented in this thesis, functionalized by an odorant binding protein, for the real-time detection of unlabeled small molecules - like odorants - in a concentration dependent manner. The results demonstrate the suitability of AmelOBP14 - the odorant binding protein from the honey bee Apis mellifera - for biosensors, when immobilized, it is able to bind and discriminate selectively ligands. Furthermore the recombinant odorant binding proteins can be engineered adapting the affinity range of the sensor. The biosensor is demonstrated for the screening of potential interaction partners of odorant binding proteins from the beetle Tribolium castaneum. The OBPs TcasOBP9A and B were identified as capture molecules for agriculture pest markers 6-Methyl-5-hepten-2-one (Sulcatone) and (S)-(+)-3-Octanol. Deciphering the odorant's capability i) to interact with proteins and ii) to activate the insect's olfactory response of the antenna was investigated with two biosensors, in-vitro and in-vivo. The in-vitro method is an OBP-functionalized reduced graphene oxide - field effect transistor (rGO-FET) based sensor which monitors the odorant interaction with the odorant binding protein. A second, orthogonal method was capable to identify the odorantś capability to activate the insect's olfactory response of the antenna in-vivo. Beside the detection of weak binding small ligands for odorant binding proteins, applications for medical diagnostics like the detection of the interaction of antibodies, food derived toxins and aptamer based hormone detection is shown with the biosensor. This thesis introduces the bioelectro-interfacial nano-sensor for real-time and high-throughput, quantitative analysis of protein-ligand interactions based on reduced graphene oxide - field effect transistor sensing.