Biosensors

Ïa Azogue, Ester Valverde, Sílvia Vives. Curs 2008-2009

Definició i característiques:

Un biosensor és un dispositiu que utilitza reaccions bioquímiques especifiques mitjançant enzims aïllats, immunosistemes, teixits o cèl•lules senceres per detectar compostos químics, generalment mitjançant senyals elèctriques, tèrmiques o òptiques.

Un biosensor es diferencia d’un sensor en que usa un detector d’origen biològic i utilitzen l’especificitat dels processos biològics:

• Especificitat enzims - substrat
  
• Especificitat anticòs - antigen
  
• Especificitat entre les lectines i els carbohidrats
  
• Especificitat entre la complementarietat d’àcids nucleics

Avantatges dels biosensors enfront mètodes analítics:

• Reutilització
  
• Menor manipulació
  
• Menor temps d’assaig.
  
• Repetitivitat i automatització
  
• Llarga vida de l’aparell

Components:

1. Element de reconeixement molecular (detecció): és on hi ha immobilitzat el sistema biològic (enzims, anticossos,...) utilitzat pel reconeixement de l’analit.
   
2. Transductor (conversió de la senyal biològica en senyal elèctrica): per exemple electroquímic, òptic, tèrmic, etc
   
3. Amplificador: degut a que la senyal biològica normalment és molt baixa
   
4. Processador: és un circuit integrat que converteix el senyal elèctric en un registre visual fàcilment interpretat per l’usuari.
   
5. Enregistrador: crea un senyal visual com a resultat de la mesura.
   

Tipus
Hi ha dos criteris de classificació: segons el tipus de biocomponent utilitzat i segons el tipus de transducció.

• Segons el tipus de biocomponent
  • Biosensors catalítics o enzimàtics:l’enzim transforma l’analit en producte detectable. Principalment s’utilitzen oxidoreductases, isomerases o hidrolases.
    
  • Immunosensors:utilitzen anticossos per adherir-se específicament a l’analit
    
  • Genosensors:utilitzen àcids nucleics per detectar seqüències complementaries
    
  • Aptasensors:utilitzen aptàmers que són àcids nucleics de cadena senzilla units a una proteïna pel reconeixement específic de proteïnes, hormones, etc.
    
  
  
• Segons el tipus de transducció
  • Biosensors electroquímics
    
  • Amperomètrics:determinen corrents elèctriques associades amb electrons involucrats en un procés redox.
    
  • Potenciomètrics:determinen variacions de potencial elèctric respecte un elèctrode de referència
    
  • Conductimètrics:determinen canvis en la conductància o conductivitat elèctrica
    
  • Impedimètrics:determinen variacions en l’impedància ( resistència )
    
  • Biosensors termomètrics:utilitzen el calor generat en una reacció per obtenir una senyal.
    
  • Biosensors Piezolèctrics:detecten canvis de massa en la superfície del tranductor
    
  • Biosensors Òptics:utilitzen la radiació ( llum ) generada o dissipada
    

Camps d’aplicació:

1. Indústria alimentària:
   Es troben 3 camps d’aplicació dins de la indústria alimentària, són la qualitat alimentària, i la seguretat alimentària, i el control de processos industrials. Cal destacar entre les aplicacions la determinació de paràmetres bioquímics, microorganismes, toxines i substàncies potencialment perilloses per la salut.
   
   http://www.alimentatec.com/muestrapaginas.asp?nodo1=0&nodo2=0&idcontenido=571&content=16&pagina=311
   
   Un exemple de biosensor aplicat en la qualitat alimentària és un biosensor tirosinasa (PPO) per mesurar polifenols en el vi.
   Degut a que les mesures químiques com les colorimetries o les reduccions necessiten temps i generen residus s’intenta construir un biosensor capaç de mesurar la concentració i el potencial de reducció dels polifenols en el vi.
   El biosensor consta d’un electrode (tub de vidre) cobert per una pasta que conté l’enzim tirosinasa que s’extreu de teixit de banana(5%), oli mineral (10%), carboni que conté ruteni (85%) i un fil de coure pel contacte elèctric. També hi ha un electrode de referència i un electrode auxiliar de platí. A aquest conjunt d’electrodes l’anomenen electrode de treball.
   Aquest electrode de treball es col•loca en una cel•la on s’injecta l’analit que conté polifenols que seran selectivament oxidats per la tirosinasa immobilitzada. Com a producte es forma una quinona que es detecta amperomètricament ja que l’electrode auxiliar de platí la redueix a fenol altra vegada. El resultat de el canvi de nanoampers de la corrent de la cel•la de reducció s’amplifica i es converteix en una senyal de voltatge i la tensió resultant es mesura a través d’un registrador gràfic o d’un altre tipus de dispositiu de grabació.
   
   
   Article: William T.Jewel and Susan E.Ebeler. 2001. Tyrosinase Biosensor for the Measurement of Wine PolyphenolicsAm. J. Enol. Vitic. 52:219-222.
   
   
2. Diagnòstic clínic:
   El 1962 Clark i Lyon desenvolupen el primer biosensor per mesurar la glucosa en sang , es basava en la immobilització d’una capa de glucosa oxidasa ( Gox ) sobre un elèctrode selectiu d’oxigen, monitoritzant l’oxigen consumit durant la reacció.
   
   Des de llavors s’han anat desenvolupant i millorant la tècnica ja que aquesta primera generació de biosensors tenia coma principal inconvenient les interferències produïdes per l’oxigen exogen.
   
   Una següent generació es basa en la monitorització del peròxid d’hidrogen format en la reacció. En aquest cas també es presentaven interferències degudes a components sanguinis (àcid ascòrbic, àcid úric, glutationa,...) que s’oxiden a un potencial molt similar.
   
   Per solventar aquest problema es va associar la glucosa oxidasa a un mediador redox i d’aquesta manera l’elèctrode només detectava la transferència d’electrons deguda a la conversió del substrat.
   
   http://www-biol.paisley.ac.uk/marco/enzyme_electrode/Chapter1/introduction.htm
   
   Actualment s’associa el mediador directament al centre actiu de l’enzim (cofactor FAD) per tal d’optimitzar la transferència electrònica entre el centre actiu de l’enzim i l’electrode. Així aconseguim una major efectivitat ja que l’enzim i el mediador estan físicament més aprop.
   
   
   
   
   Vídeo sobre un biosensor de glucosa desenvolupat a la Universitat de Georgetown:
   
   
   
3. Medi ambient
   Article sobre biosensors aplicats en el camp de la contaminació emès per la Revista Internacional de Contaminación Ambiental.
   http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/370/37023104.pdf
   
   Els assajos de biotoxicitat han adoptat una importància creixent en l’avaluació de la toxicitat potencial de mostres mediambientals, degut a que són ràpids i no necessiten la complexa caracterització química.
   
   Un exemple de bioassaig comercial és Microtox. Un bioassaig que examina la toxicitat aguda de mostres mediambientals i compostos purs basant-se en la reducció de la bioluminiscència natural del bacteri marí Vibrio fischeri en presència d’agents contaminants. La toxicitat s’expressa com la concentració de d’agent que produeix la reducció del 50% de la luminiscència inicial (EC50).
   La reacció de bioluminiscència bacteriana està lligada al sistema de transport d’electrons en la respiració cel•lular i és indicativa de l’estat metabòlic de la cèl•lula, de manera que una disminució de la bioluminiscència indica la disminució de la respiració cel•lular. Els contaminants físics, químics i biològics afecten en la respiració cel•lular alterant el percentatge de síntesi de proteïnes i lípids i modificant per tant el nivell d’emissió de luminiscència.
   
   La reacció en conjunt es mostra a continuació:
   FMNH + O + R-CHO → FMN + HO + R-COOH + hν (490 nm)
   
   
   Bioensayo de toxicidad por microtox