Quantifizierung biokatalytischer Umwandlungen durch einzelne mikrobielle Zellen mittels maßgeschneiderter Integration von Tröpfchenmikrofluidik und Massenspektrometrie

Abstract

Die Verbesserung der Effizienz von chemischen Umwandlungen, die durch mikrobielle Biokatalysatoren katalysiert werden, erfordert ein tiefes Verständnis von zellulären Prozessen. Während die Heterogenität zellulärer Merkmale, wie die Konzentration des reichlich vorhandenen Zellinhalts, gut untersucht ist, ist wenig über die Reaktivität einzelner Zellen und ihre Auswirkung auf die chemische Identität, Menge und Reinheit der sekretierten Produkte bekannt. Biokatalytische Umwandlungen wurden chemisch spezifisch und quantifizierbar auf der Einzelzellebene durch die Integration von Tröpfchenmikrofluidik, Zellbildgebung und Massenspektrometrie überwacht. Die Produktbildungsraten für einzelne Saccharomyces cerevisiae-Zellen wurden durch i) Inkubation von nanolitergroßen Tröpfchen zur Produktakkumulation in Mikrofluidik-Plattformen, ii) eine Bildgebungseinheit zur Bestimmung der Zellanzahl in den Tröpfchen und iii) Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie zur Messung des chemischen Inhalts einzelner Tröpfchen ermittelt. Diese Erkenntnisse ermöglichen nun die Untersuchung der Biokatalyse ganzer Zellen bei einer Einzelzellauflösung.