Overzicht van Biosensing

Biosensoren hebben een revolutie teweeggebracht in de geneeskunde en biotechnologie door de detectie en karakterisering van doelmoleculen in complexe biologische vloeistoffen. Een biosensor is een apparaat dat een biologische receptormolecuul, zoals een enzym, gebruikt om een specifieke verbinding te detecteren. Biosensoren gebruiken verschillende methoden, zoals elektrochemie, mechanische eigenschappen of optica, om de binding van het specifieke molecuul aan de receptor te detecteren. Deze video introduceert biosensoren en het gebied van biosensing door enkele basistechnieken en typen biosensoren te bespreken, evenals hun toepassingen.

Laten we eerst de basis bespreken van hoe een typische biosensor werkt. Een biosensor bestaat uit een biologisch herkenningssysteem, vaak een bioreceptor of sondemolecuul genoemd. Dit is meestal een geïmmobiliseerde biomolecuul, zoals een enzym, antilichaam of nucleïnezuur, dat wordt gebruikt om selectief een doelmolecuul op te vangen. De binding tussen de sonde en doelmoleculen veroorzaakt een meetbaar evenement, zoals een pH-verandering, optische verandering of redoxgebeurtenis. Deze verandering wordt gemeten door de transducer, die de bindingsinformatie omzet in een kwantificeerbaar signaal. Sommige biosensoren meten de hoeveelheid gebonden doelwit en geven de gebruiker een concentratie. Sommige worden echter gebruikt om simpelweg de aanwezigheid van een molecuul te bevestigen, zoals bij een zwangerschapstest. De eerste biosensor was de zuurstofsensor die werd ontwikkeld door Leland C. Clark. De sensor maakte gebruik van glucoseoxidase, dat wordt gereduceerd wanneer glucose bindt. In aanwezigheid van zuurstof wordt glucoseoxidase vervolgens geoxideerd, waardoor waterstofperoxide wordt geproduceerd in een nevenreactie. Wanneer waterstofperoxide wordt geoxideerd, gaat een elektron verloren en wordt gemeten door de elektrode. Hoe meer zuurstof aanwezig is, hoe meer waterstofperoxide wordt geproduceerd en hoe meer elektronen worden gemeten. Deze ontdekking heeft de weg gebaand voor moderne biosensoren. Nu dat we biosensoren en een beetje van hun geschiedenis hebben geïntroduceerd, laten we eens kijken naar enkele veelvoorkomende typen biosensoren.

Optische sensoren gebruiken licht om de binding van een doelmolecuul aan het sondemolecuul te detecteren. Een zeer eenvoudig voorbeeld is een op fluorescentie gebaseerde sensor. Hier is het oppervlak van de sensor bedekt met een polymeer, dat een lage basale fluorescentie heeft. Wanneer het oppervlak van het polymeer wordt functioneel gemaakt met het sondemolecuul, in dit geval enkelstrengs DNA, neemt de fluorescentie toe. Wanneer het doelmolecuul, de complementaire DNA-streng, zich bindt aan de doelstreng, verdwijnt de verhoogde fluorescentie, waardoor de gebruiker in staat is om de hoeveelheid en locatie van binding te bepalen op basis van de fluorescentie-intensiteit. Een ander veel voorkomend type biosensor is de elektrochemische sensor, die elektroden gebruikt om redoxreacties tussen de sonde en doelmoleculen te detecteren. Dit wordt meestal gedaan met behulp van een enzym dat aan het oppervlak van de elektrode is gebonden. Wanneer het doelmolecuul zich bindt aan het enzym onder een specifiek toegepast potentieel, vindt de reductie of oxidatie van het complex plaats. Dit creëert een overmaat of tekort aan elektronen, wat direct evenredig is aan de hoeveelheid gebonden doelmolecuul.

Het gebied van biosensing is niet zonder uitdagingen. Ten eerste is een van de belangrijkste uitdagingen de besmetting van het biosensoroppervlak door andere moleculen in het monster, biofouling genaamd, wat kan voorkomen in complexe mengsels. Deze besmetting kan de sondemoleculen blokkeren om het doelmolecuul in het monster te detecteren, waardoor de detectiecapaciteit van de sensor aanzienlijk wordt verminderd. Als gevolg hiervan hebben sommige biosensoren een beperkte levensduur en worden ze geregenereerd of weggegooid. Als alternatief kunnen anti-biofouling coatings worden ontwikkeld om dit effect te verminderen. De detectielimiet van een sensor verwijst naar de laagste hoeveelheid stof die betrouwbaar kan worden onderscheiden van de afwezigheid van die stof. Een lage detectielimiet is voordelig bij het detecteren van sporen van een stof met zekerheid, waarbij detectie van één molecuul het ideale scenario is. Dit kan echter moeilijk zijn, omdat lage concentraties vaak resulteren in zwakke signalen die onder het geluid liggen en moeilijk te kwantificeren zijn. Veel van het huidige onderzoek is gericht op het verbeteren van detectielimieten door de bindingsefficiëntie te verbeteren en het geluid te verminderen.

Nu dat we enkele veel voorkomende typen biosensoren en hun uitdagingen hebben besproken, laten we eens kijken naar enkele toepassingen van deze basisconcepten. Een veel gebruikte sensor is de kwartskristal microbalance, of QCM. QCM bestaat uit twee gouden elektroden gescheiden door een kwartskristal, dat piëzo-elektrische eigenschappen heeft. Wanneer een wisselstroom wordt aangelegd, worden oscillaties met een specifieke resonantiefrequentie geïnduceerd. Deze resonantiefrequentie verandert wanneer moleculen zich aan het oppervlak binden. Deze verandering wordt gebruikt om de binding van de doelmoleculen en de hoeveelheid te detecteren. Gespecialiseerde cantilevers gebruiken mechanische eigenschappen om de binding van doelmoleculen te detecteren. Hier worden de cantilevers functioneel gemaakt met sondemoleculen en vervolgens blootgesteld aan het doelmolecuul. Bij binding van het doelmolecuul buigt de cantilever door de veranderingen in oppervlaktespanning. Deze buiging wordt vervolgens gemeten met behulp van een laser.

Je hebt zojuist JoVE's Overzicht van Biosensing bekeken. Je zou nu bekend moeten zijn met de basisprincipes van biosensoren, sommige belangrijke typen sensoren en hun uitdagingen, evenals enkele toepassingen in het veld. Bedankt voor het kijken.