Bei Bakterienkulturen ist das Timing ausschlaggebend für den Erfolg. Egal, ob kompetente Zellen oder rekombinante Proteine oder Sekrete gewonnen werden sollen: Die Optische Dichte (OD) der kultivierten Bakterien muss stimmen. Wieder und wieder den Erlenmeyerkolben vom Schüttler zu holen, um eine Probe für die OD-Messung im Photometer zu entnehmen, kostet aber nicht nur Zeit, sondern birgt auch das Risiko für Kontaminationen.
Der Photonik-Spezialist Chinna Devarapu vom University College Cork, Irland, hatte keine Lust mehr auf die nervigen OD-Messungen im Photometer. Zusammen mit seinen Kollegen kam er auf die Idee, einen Fitness-Tracker (Fitness-Armband) zu modifizieren und für kontinuierliche Messungen der OD einzusetzen.
Alle Komponenten vorhanden
Der Herzfrequenz-Sensor eines Fitness-Trackers enthält alle Komponenten, die man für die OD-Messung benötigt. Dazu gehören insbesondere LED-Lampen, Photodioden, die als optische Lichtsensoren dienen, sowie ein Mikroprozessor. Das LED-Licht des Trackers fällt auf die Haut am Handgelenk und wird je nach Blutvolumen, das unter der Haut fließt, unterschiedlich stark reflektiert. Die Photodioden empfangen das reflektierte Licht und übermitteln die Lichtstärke an den Mikroprozessor, der mit ihrer Hilfe die Herzfrequenz berechnet.
Devarapus Team verwendete als Ausgangs-Gerät für ihr Optical Density Measuring Device (ODX) einen billigen Null-acht-fünfzehn Fitness-Tracker für kaum zwanzig Euro. Für den Tracker sprach insbesondere der verbaute Mikroprozessor, der von einer gut dokumentierten Firmware gesteuert wird, die sich mit entsprechenden Software-Tools modifizieren lässt. Mit einem sogenannten Black-Magic-Probe-Mini-Programm frisierten die Iren die Firmware des Prozessors und passten sie an OD-Messungen an.
Den Fitness-Tracker brachte die Gruppe an der Seite einer mit dem 3D-Drucker hergestellten kubusförmigen Halterung aus Polymilchsäure unter. In der Mitte des Kubus befindet sich eine Bohrung in die ein entsprechendes Kulturgefäß gestellt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Trackers ist eine LED-Lampe installiert, die orangefarbenes Licht von etwa 600 Nanometern durch das Kulturgefäß wirft.
Klassisch kalibriert
Die beiden Photodioden des Fitness-Trackers registrieren das auf der anderen Seite der Halterung ankommende Licht und übermitteln die Lichtstärke an den Mikroprozessor, der die Messwerte als OD600 auf dem Display des Fitness-Trackers anzeigt. Um keine Hausnummern zu messen, kalibrierte die Gruppe das ODX-Gerät mit OD-Messungen, die sie mit verschiedenen Bakterienkulturen und Nährmedien, mit einem klassischen Photometer parallel durchführte.
Noch nutzerfreundlicher wird die Messung der OD mit ODX durch eine App, welche die Messdaten drahtlos über Bluetooth an ein Smartphone überträgt. Auf diesem kann man die Wachstumskurven beobachten und die entsprechenden Messwerte speichern – und sobald eine vorgegebene OD erreicht ist, wird man von der App daran erinnert.
Andrea Pitzschke
Yallapragada V. et al. (2019): ODX: A Fitness Tracker-Based Device for Continuous Bacterial Growth Monitoring. Analytical Chemistry, 91(19):12329-12335