レーザースペックルフォトメトリーを用いた毛根培養物のバイオスペックル特性評価

Biospeckle-characterization of hairy root cultures using laser speckle photometry.

• Carolin Schott
• Juliane Steingroewer
• Thomas Bley
• Ulana Cikalova
• Beatrice Bendjus

抄録

バイオテクノロジープロセスの最適化やシミュレーションには、モニタリングが不可欠です。毛根（hr、植物組織培養物）は貴重な二次代謝物の生産者である。遺伝的に安定した培養物は、糸状菌が急速に成長することが特徴であり、標準的な方法ではモニタリングが困難である。本論文では、毛根（hr）を特徴づける革新的で非侵襲的な方法として、レーザースペックルフォトメトリー（LSP）の応用に焦点を当てています。LSPは、時間分解干渉パターンの分析に基づいています。バイオスペックルとして知られる生物学的対象物のスペックル干渉パターンは、対象物に関連する物理現象や生物学的現象によって引き起こされる動的な挙動を特徴としています。生体スペックルの動的挙動を測定する手段であるスペックルコントラストを用いて、生体スペックル活性を評価した。このバイオスペックル活性は、対象物を修飾するプロセスに対応しており、バイオマスの成長と相関している。さらに、活性行動と低活性行動の区別により、培養物の生理的発達の段階をスペックルコントラストで評価した。この方法は、糸状菌培養物のバイオマス成長をリアルタイムでモニタリングし、評価する新しい手段である。毛根を特徴づけるための潜在的なツールとして、LSPは非侵襲的で、時間を節約し、オンラインで使用でき、シンプルで低コストのセットアップで際立っています。

Monitoring is indispensable for the optimization and simulation of biotechnological processes. Hairy roots (hr, plant tissue cultures) are producers of valuable relevant secondary metabolites. The genetically stable cultures are characterized by a rapid filamentous growth, making monitoring difficult with standard methods. This article focuses on the application of laser speckle photometry (LSP) as an innovative, non-invasive method to characterize (hr). LSP is based on the analysis of time-resolved interference patterns. Speckle interference patterns of a biological object, known as biospeckles, are characterized by a dynamic behavior that is induced by physical and biological phenomena related to the object. Speckle contrast, a means of measuring the dynamic behavior of biospeckles, was used to assess the biospeckle activity. The biospeckle activity corresponds to processes modifying the object and correlates with the biomass growth. Furthermore, the stage of the cultures' physiological development was assessed by speckle contrast due to the differentiation between active and low active behavior. This method is a new means of monitoring and evaluating the biomass growth of filamentous cultures in real time. As a potential tool to characterize hairy roots, LSP is non-invasive, time-saving, can be used online and stands out for its simple, low-cost setup.

© 2020 The Authors. Engineering in Life Sciences published by WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.