Przegląd biodetekcji

Biosensory zrewolucjonizowały dziedziny medycyny i biotechnologii poprzez wykrywanie i charakteryzowanie cząsteczek docelowych w złożonych płynach biologicznych. Bioczujnik to urządzenie, które wykorzystuje cząsteczkę receptora biologicznego, taką jak enzym, do wykrywania określonego związku. Biosensory wykorzystują różne metody, takie jak elektrochemia, właściwości mechaniczne lub optyka, w celu wykrycia wiązania określonej cząsteczki z receptorem. W tym filmie przedstawimy biosensory i dziedzinę bioczujników, omawiając podstawowe techniki i typy bioczujników, a także ich zastosowania.

Najpierw omówmy podstawy działania typowego biosensora. Bioczujnik składa się z systemu rozpoznawania biologicznego, często nazywanego bioreceptorem lub cząsteczką sondy. Zwykle jest to unieruchomiona biomolekuła, taka jak enzym, przeciwciało lub kwas nukleinowy, która służy do selektywnego wychwytywania cząsteczki docelowej. Wiązanie między sondą a cząsteczkami docelowymi powoduje mierzalne zdarzenie, takie jak zmiana pH, zmiana optyczna lub zdarzenie redoks. Zmiana ta jest mierzona przez przetwornik, który przekształca informację o powiązaniu w wymierny sygnał. Niektóre biosensory określają ilościowo ilość związanego celu, podając użytkownikowi stężenie. Jednak niektóre są używane po prostu do potwierdzenia obecności cząsteczki, jak w teście ciążowym. Pierwszym biosensorem był czujnik tlenu opracowany przez Lelanda C. Clarka. Czujnik wykorzystywał oksydazę glukozową, która jest redukowana, gdy glukoza się wiąże. W obecności tlenu oksydaza glukozowa jest następnie utleniana, wytwarzając nadtlenek wodoru w reakcji ubocznej. Kiedy nadtlenek wodoru jest utleniany, elektron jest tracony i mierzony przez elektrodę. Im więcej tlenu, tym więcej produkowanego nadtlenku wodoru i tym więcej mierzonych elektronów. Odkrycie to utorowało drogę nowoczesnym bioczujnikom. Teraz, gdy przedstawiliśmy biosensory i trochę ich historii, przyjrzyjmy się kilku popularnym typom bioczujników.

Czujniki optyczne wykorzystują światło do wykrywania wiązania cząsteczki docelowej z cząsteczką sondy. Bardzo prostym przykładem jest czujnik oparty na fluorescencji. W tym przypadku powierzchnia czujnika jest pokryta polimerem, który ma niską fluorescencję podstawową. Kiedy powierzchnia polimeru jest funkcjonalizowana cząsteczką sondy, w tym przypadku jednoniciowym DNA, fluorescencja wzrasta. Kiedy cząsteczka docelowa, komplementarna nić DNA, wiąże się z nicią docelową, zwiększona fluorescencja znika, umożliwiając użytkownikowi określenie ilości i lokalizacji wiązania na podstawie intensywności fluorescencji. Innym popularnym typem biosensora jest czujnik elektrochemiczny, który wykorzystuje elektrody do wykrywania reakcji redoks między sondą a cząsteczkami docelowymi. Odbywa się to zwykle za pomocą enzymu związanego z powierzchnią elektrody. Kiedy cząsteczka docelowa wiąże się z enzymem pod wpływem określonego przyłożonego potencjału, następuje redukcja lub utlenianie kompleksu. Powoduje to albo nadwyżkę, albo deficyt elektronów, który jest wprost proporcjonalny do ilości związanej cząsteczki docelowej.

Dziedzina biodetekcji nie jest pozbawiona wyzwań. Po pierwsze, jednym z kluczowych wyzwań jest zanieczyszczenie powierzchni biosensora innymi cząsteczkami w próbce, zwane biofoulingiem, które może wystąpić w złożonych mieszaninach. Zanieczyszczenie to może blokować cząsteczki sondy przed wykryciem cząsteczki docelowej w próbce, co znacznie zmniejsza zdolność wykrywania czujnika. W związku z tym niektóre biosensory mają ograniczoną żywotność i są albo regenerowane, albo utylizowane. Alternatywnie można opracować powłoki zapobiegające biofoulingowi w celu złagodzenia tego efektu. Granica wykrywalności czujnika odnosi się do najmniejszej ilości substancji, którą można wiarygodnie odróżnić od braku tej substancji. Niska granica wykrywalności jest korzystna w wykrywaniu śladowych ilości substancji z pewnością, przy czym wykrywanie pojedynczych cząsteczek jest idealnym scenariuszem. Może to być jednak trudne, ponieważ niskie stężenia często skutkują słabymi sygnałami, które znajdują się poniżej szumu i są trudne do oszacowania. Wiele z obecnych badań ma na celu poprawę granic wykrywalności poprzez poprawę skuteczności wiązania i redukcję hałasu.

Teraz, gdy omówiliśmy kilka popularnych typów bioczujników wraz z ich wyzwaniami, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom tych podstawowych pojęć. Powszechnie stosowanym czujnikiem jest mikrowaga kwarcowa lub QCM. QCM składa się z dwóch złotych elektrod oddzielonych kryształem kwarcu, który ma właściwości piezoelektryczne. Po przyłożeniu prądu przemiennego indukowane są oscylacje o określonej częstotliwości rezonansowej. Ta częstotliwość rezonansowa zmienia się, gdy cząsteczki wiążą się z powierzchnią. Ta zmiana służy do wykrywania wiązania cząsteczek docelowych i ich ilości. Specjalistyczne wsporniki wykorzystują właściwości mechaniczne do wykrywania wiązania cząsteczek docelowych. W tym przypadku wsporniki są funkcjonalizowane cząsteczkami sondy, a następnie wystawiane na działanie cząsteczki docelowej. Po związaniu cząsteczki docelowej wspornik odchyla się pod wpływem zmian naprężeń powierzchniowych. Ugięcie to jest następnie mierzone za pomocą lasera.

Właśnie obejrzałeś Przegląd bioczujników JoVE. Powinieneś teraz zapoznać się z podstawami bioczujników, niektórymi kluczowymi typami czujników i ich wyzwaniami, a także z niektórymi zastosowaniami w terenie. Dzięki za oglądanie.