Mikrofluidik

Vom Sortieren bunter Tröpfchen – mit KI

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Die bunten Farbkügelchen sind gemeinsam mit Bakterien in verschiedenen Kombinationen in die Tropfen eingeschlossen (Bild: Oksana Shvydkiv, Leibniz-HKI)
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Forscher sorgen dafür, dass man die unzähligen einzelnen Tröpfchen bei der Tropfen-Mikrofluidik einfach unterscheiden kann: mithilfe von kleinen Kunststoffkügelchen und Künstlicher Intelligenz.

Die Tropfen-Mikrofluidik bietet viele Vorteile: Mit dieser Methode können Mikroorganismen zahlreich, schnell und mit wenig Platzbedarf kultiviert werden. Ihr Prinzip beruht auf der Unvermischbarkeit zweier Flüssigkeiten. Eine ölige und eine wässrige Flüssigkeit werden in einem winzigen Kanalsystem miteinander in Kontakt gebracht. Dabei umschließt die ölige Flüssigkeit die wässrige und es bilden sich kleinste Tröpfchen von etwa 200 pl Volumen. Mithilfe eines Helfermoleküls wird eine erneute Verschmelzung der einzelnen Tröpfchen verhindert.

So dienen die Tröpfchen als winzige Bioreaktoren, die jeweils mit einer Bakterienzelle beimpft werden können. So erhält man große Mengen an Reinkulturen für die Suche nach neuen Mikroorganismen oder Wirkstoffen. Neben dem geringen Platzverbrauch ist diese Methode kostengünstig und funktioniert im Hochdurchsatz – also sehr schnell. Dadurch ist die Mikrofluidik in der Lage etwa die Suche nach neuen Antibiotika zu beschleunigen.

Ein Tropfen gleicht dem anderen

„Die Mikrofluidik hat viele Vorteile“, sagt Dr. Miguel Tovar vom Biotechnikum des Leibniz-HKI. „Aber bei mitunter wochenlanger Kultivierung kommen die Tropfen durcheinander, sodass wir keinen Überblick mehr haben, welches Bakterium in welchem Tropfen ist“, so Tovar weiter. Um dieses Problem zu lösen, zogen sie die Expertise der Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie hinzu, die mithilfe Künstlicher Intelligenz ein System entwickelte, das die Tröpfchen nach Bakterienart oder experimentellen Bedingungen sortieren kann.

Sortieren nach Farben

„Dazu haben wir zu den Tropfen kleine Kunststoffkügelchen in verschiedenen Farben und Kombinationen hinzugegeben“, erklärt Dr. Oksana Shvydkiv, verantwortlich für die Durchführung dieser Experimente am Biotechnikum. Diese in der Fachsprache Beads genannten Kügelchen codieren die Tröpfchen und deren Inhalt. „Eine Kamera erstellt ein Bild von jedem Tropfen, der durch den Kanal wandert. Anhand dieses Bildes analysiert ein Computer die Farben, um die Tröpfchen danach identifizieren und sortieren zu können“, fügt Dr. Carl-Magnus Svensson von der Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie hinzu.

Die Wissenschaftler konnten in zwei Experimenten mithilfe der Mikrofluidik und der Farbcodes der Kügelchen bestimmte, in der Konzentration unterschiedliche Antibiotikadosierung sowie neun verschiedene Antibiotika auf Wirksamkeit testen.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802384

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