_7_ Area!L Water Monitor

Area!L Water Monitor erarbeitet ein einfaches und schnelles Chip-basiertes Nach­weisverfahren zum sensitiven Point-of-Use-Nachweis von Glyphosat und anderen anth­ropogenen Spurenstoffen mittels Hydrogelsonden mit dem Ziel der Überleitung in eine Ausgründung.

Geplante Laufzeit: 10/2022 bis 09/2025
Geplantes Budget (Förderperiode 1): 750.000€
Davon Fördermittel: 100%
Partner Forschung: b-ACTmatter Interfakultäres Transferzentrums für bioaktive Materie an der Universität Leipzig
Partner KMU: BGD-ECOSAX, Avanjo GmbH
Assoziierte Partner: HiSS Diagnostics GmbH als potentieller Vermarkter, Anvajo GmbH als Geräteplattformentwickler, Area!L-Partner IKT/KI für Datenintegrationsplattform der Point-of-Use Geräte

Ziel

Auf Grundlage der Expertise zum hochsensitiven Point-of-Use-Nachweis von Glyphosat und anderen anthropogenen Spurenstoffen mittels Hydrogelsonden, soll ein einfaches und schnelles Chip-basiertes Nachweisverfahren erarbeitet, zum Monitoring in realen Feldversuchen erprobt und in eine Ausgründung übergeleitet werden.

Die neuen und effizienten Strukturen und Partner von Area!L werden dabei eine angestrebte Ausgründung der Universität Leipzig unterstützen. So sollen die neuen Co-Creation-Labs von Area!L genutzt und Demonstratoren des Nachweisverfahrens öffentlich gut zugänglich im Show- und Testraum von Area!L frühzeitig bekanntgemacht werden.

Die Ausgründung wird auf Grundlage der Vorarbeiten zu dem Verfahren den Chip-basierten Schnelltest entwickeln. Der Einsatz mit einfachen laborbasierten und mobilen Auslesegeräten soll an einem aktuellen Messfeld des Projektpartners BGD-ECOSAX demonstriert werden. Mit dem Beispiel des Monitorings von Glyphosat und dessen Abbauprodukt AMPA im Grundwasser des Netzes von Kunden der BGD-ECOSAX soll die Funktionalität des Nachweisverfahrens für den mobilen Point-of-Use-Einsatz im Rahmen eines regionalen und überregionalen Monitorings gezeigt werden.

Die Ergebnisse werden die Grundlage für den Ausbau des Nachweisverfahrens als Plattform-Technologie für andere Analyten im Umweltbereich (z.B. hormonell aktive Substanzen, Antibiotika) legen und eine Integration der Technologie in regionale Monitoring-Konzepte ermöglichen.

Bedeutung des Projektes für das Transfergeschehen im Themenfeld

Der T!Raum Area!L möchte in den Bereichen City & Regions, Balancing Resources und Health & Resilience neue Konzepte für den Transfer neuer wissenschaftlicher Technologieentwicklungen in reale Produkte mit innovativen Konzepten vorantreiben. Mit dem Werkstattprojekt L! Monitor werden alle drei Bereiche adressiert und die Kompetenzen des T!Raums Area!L im Bereich Informations- und Kommunikationstechnologie, Angewandte Künstliche Intelligenz und Smart (Bio)Materials wirkungsvoll miteinander verknüpft.

Die Entwicklung eines Point-of-Use-Verfahrens mit einfacher elektronischer Auslesetechnologie zum Nachweis von anthropogene Spurenstoffen in der Umwelt innerhalb einer geplanten Ausgründung der Universität Leipzig nutzt neue Biomaterialeigenschaften, KI-basierte Bilderkennung der Auslesetechnologie im Verbund mit der Integration der Point-of-Use Daten, um in regionalen und überregionalen Netzen die Qualität der kritischen Ressourcen Grund- bzw. Oberflächenwassers zu überwachen und die Möglichkeit des schnellen, effizienten und steuernden Eingriffs, sowie eine regionale Resilienz für die Wasserqualität und -bereitstellung zu bieten.

Im Bereich von Biosensortechnologien wurde gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen eine umfangreiche Expertise zum hochsensitiven und hochspezifischen Nachweis verschiedener anthropogener Spurenstoffe wie Glyphosat erarbeitet, siehe gemeinsame Patentanmeldungen und wissenschaftliche Veröffentlichungen (PCT/EP2019/081617, DE 102020 101 223.3, DE 10 2020 124 279.4, Biosensors & Bioelectronics 165:112262 (2020), Biosensors & Bioelectronics 192:113506 (2021)). Durch das zugrundeliegende Wirkprinzip ergibt sich die Möglichkeit einer Erweiterung auf eine Vielzahl anderer Analyte und den Einsatz als Plattform-Technologie. Des Weiteren bietet das Verfahren durch die Einfachheit und Schnelligkeit die Möglichkeit einer Chip-basierten Umsetzung und reflektometrisch oder holographisch basierten und KI-unterstützten Auslesung, was in ersten Testversuchen u.a. mittels der fluidlab-Technologie der Firma Anvajo GmbH aktuell erprobt wird. Damit kann potentiell ein direkter Feldeinsatz in einem umfangreichen Messnetz angegangen werden. Durch den Betrieb und die Auswertung solcher umfangreicher Messnetze im Bereich Wasser-Monitoring durch die Firma BGD-ECOSAX ergibt sich die Möglichkeit einer direkten Erprobung innerhalb des Werkstattprojekts. Im nächsten Schritt soll das mittels der Ausgründung entwickelte, Chip-basierte Nachweisverfahren nicht nur durch potentielle Vermarkter im Bereich Diagnostik, wie HiSS Diagnostics GmbH, überregional und europaweitvertrieben werden, sondern auch das regionale und überregionale Monitoring mit einer zusammenfassenden Datenverarbeitung und -integration weitergeführt werden, wobei dann auf die Vorarbeiten im SUSIC-Verbund zurückgegriffen werden kann.

Als Kunden für des neue Point-of-Use Nachweisverfahren werden Firmen im Bereich Wasserwirtschaft, Landwirtschaft und Umwelt adressiert, welche mit der Herausforderung des Monitorings ihrer Ressourcen, Produkte und der beeinflussten Umwelt konfrontiert sind. Mittelfristig ist auch eine Anwendungserweiterung des Nachweisverfahrens für den Consumer-Bereich angedacht, da ein sehr einfaches, schnelles und preiswertes Verfahren entwickelt wird.

Als Erfolgsparameter sind folgende Punkte geplant: die technologische Ausarbeitung des Nachweisprinzips zu einem Chip-basierten Nachweis-Kit für Glyphosat und AMPA, die Aufstellung einer Firmenausgründung zur nachfolgenden Produktentwicklung und Markteinführung und der erfolgreiche Einsatz des Chip-basierten Nachweis-Kits in Validierungsmessungen innerhalb des Messnetzes der Firma BGD-ECOSAX zur Überwachung von Glyphosat und AMPA.

Grober Arbeitsplan und Zusammenarbeit der Partner

Im Folgenden wird der Arbeitsplan und die Zusammenarbeit der Universität Leipzig – UL, BGD-ECOSAX  und assoziierten Partnern Anvajo, HiSS Diagnostics, kurz skizziert. Der Arbeitsplan gliedert sich in drei Bereiche:
WP1 – Technologische Erweiterung und Kit-Vorbereitung
WP2 – Test und Validierung des Nachweisverfahrens im realen Messfeld
WP3 – Vorbereitung und Initiierung einer Ausgründung zur Vermarktung des neuen Verfahrens.

Damit ergeben sich folgende Inhalte der geplanten Arbeitspakete:

WP1 – Technologische Erweiterung und Kit-Vorbereitung

WP1.1 – Erarbeitung und Erprobung eines Chip-basierten Glyphosat-Nachweises (UL, + Anvajo)

Es erfolgt die Erarbeitung robuster und plattformfähiger Kopplungsverfahren für Chip-Beschichtung mit Targetenzymen gegenüber dem aktuellen Stand des Verfahrens. (Proteinherstellung, Glasträger-Beschichtung). Zudem erfolgt die Integration beschichteter Glasträger in Nachweis-Chips der fluidlab-Technologie (Unterauftrag mit Firma Anvajo). Die neuen Chips werden mit reflektometrischen und holographischem Ausleseverfahren im Labor mit Reflektionskontrastmikroskopie und fluidlab zum Glyphosatnachweis erprobt. Anwendungsfälle werden  mittels des Grenzwertverfahrens und des Kontaktflächenverfahren des Hydrogelsonden-Assays erprobt. Zudem wird die Lagerung der Assay-Komponenten sowie Robustheit und Kreuzreaktivität des Nachweisverfahrens untersucht.

WP1.2 – Erweiterung Chip-basierter AMPA-Nachweis (UL)

Zum effektiven Einsatz des zum Patent-angemeldeten Glyphosat-Nachweises soll dieser um das Glyphosat-Abbauprodukt AMPA erweitert werden. Dazu erfolgen Untersuchungen zur Nutzung des bestehenden Aufbaus mittels Glyphosat-Targetenzyms und der Hydrogelsondenfunktionalisierung und eine Weiterentwicklung des Targetenzyms für den AMPA-Nachweis bzw. eine Modifizierung der Hydrogelsondenfunktionalisierung (Target-Molekül). Nachfolgend wird die entwickelte Erweiterung als Multiplex-Nachweis von Glyphosat und AMPA erprobt.

WP2 – Test und Validierung des Nachweisverfahrens im realen Messfeld

WP2.1 Konzept Messnetz (BGD-ECOSAX)

Es erfolgt die Erarbeitung und Ausweisung eines Messnetzes für Realproben, einschließlich der Definition der Messorte, sowie Art und Anzahl der Probennahmen und Messstellen. Des Weiteren erfolgt die Planung des Probentransports für Vergleichsmessungen im Labor.

WP2.2 – Erprobung Chip-basierter Glyphosat-Nachweis mit Realproben (UL, BGD-ECOSAX)

Das Glyphosat-Nachweisverfahren wird frühzeitig mit Realproben aus dem Messnetz getestet. Nach der Erarbeitung des Chip-basierten Glyphosat-Nachweises erfolgen Vergleichsmessungen mit Realproben im Labor mittels Reflektioskontrastmikroskopie und der fluidlab-Technologie. Zudem werden Feldmessungen mit der fluidlab-Technologie laborbasierten Vergleichsmessungen durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit tandem-massenspektrometrischer Detektion (ISO 16308:2014) gegenübergestellt.

WP2.3 – Erprobung Chip-basierter AMPA-Nachweis mit Realproben (UL, BGD-ECOSAX)

Nach erfolgreicher Weiterentwicklung des Glyphosat-Nachweisverfahrens für den AMPA-Nachweis erfolgte ebenfalls eine Testung des Chip-basierten AMPA-Nachweis im Messnetz. Es erfolgen Untersuchungen zum Doppelnachweis sowie Multiplex-Nachweis von Glyphosat und AMPA. Zudem werden Vergleichsmessungen des Chip-basierten Nachweisverfahrens mit laborbasierten Messungen erfolgen.

WP3 – Vorbereitung der Ausgründung (UL, Lenkungsbereich, + HiSS)

Parallel zu WP1 und WP2 erfolgen die vorbereitenden Schritte zur Ausgründung für die Vermarktung des Nachweisverfahrens. Dies beinhaltet nicht nur umfangreiche Marktrecherchen für Chip-basierten Nachweis anthropogener Analyte (Glyphosat, AMPA, Xenohormone, u.a.), Ausarbeitung eines Businessplans, sondern auch ein Technologie-Markt-Screening für Komponenten des Nachweisverfahrens (Proteinproduktion, Chip-Beschichtung, Hydrogelsonden). Hier erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit dem Lenkungsbereich & mit HiSS Diagnostics als möglichen Vermarktungspartner.