Name: how biosensors detect molecules
Uploaded: 2023-04-30T06:32:47.000Z
Duration: 6 min 40 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">
Os biosensores revolucionaram os campos da medicina e da biotecnologia através da detecção e caracterização de moléculas-alvo em fluidos biológicos complexos. Um biosensor é um dispositivo que usa uma molécula de receptor biológico, como uma enzima, para detectar um composto específico. Os biosensores usam diferentes métodos, como eletroquímica, propriedades mecânicas ou óptica, para detectar a ligação da molécula específica ao receptor. Este vídeo introduzirá biosensores e o campo de biosensores discutindo algumas técnicas básicas e tipos de biosensores, bem como suas aplicações.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
Primeiro, vamos discutir o básico de como um biosensor típico funciona. Um biosensor consiste em um sistema de reconhecimento biológico, muitas vezes chamado de bioreceptor ou molécula da sonda. Esta é geralmente uma biomolécula imobilizada, como uma enzima, anticorpo ou ácido nucleico, que é usado para capturar seletivamente uma molécula alvo. A ligação entre a sonda e as moléculas-alvo causa um evento mensurável, como uma mudança de pH, alteração óptica ou evento redox. Esta alteração é medida pelo transdutor, que converte as informações de ligação em um sinal quantificável. Alguns biosensores quantificam a quantidade de alvo vinculado, proporcionando ao usuário uma concentração. No entanto, alguns são usados para simplesmente confirmar a presença de uma molécula, como em um teste de gravidez. O primeiro biosensor foi o sensor de oxigênio desenvolvido por Leland C. Clark. O sensor utilizou glicose oxidase, que é reduzida quando a glicose se liga. Na presença de oxigênio, a glicose oxidase é então oxidada, produzindo peróxido de hidrogênio em uma reação lateral. Quando o peróxido de hidrogênio é oxidado, um elétron é perdido e medido pelo eletrodo. Quanto mais oxigênio presente, mais peróxido de hidrogênio produzido e mais elétrons medidos. Esta descoberta abriu caminho para biosensores modernos. Agora que introduzimos biosensores e um pouco de sua história, vamos dar uma olhada em alguns tipos comuns de biosensores.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
Sensores ópticos usam luz para detectar a ligação de uma molécula alvo à molécula da sonda. Um exemplo muito simples é um sensor baseado em fluorescência. Aqui, a superfície do sensor é revestida com um polímero, que tem baixa fluorescência basal. Quando a superfície do polímero é funcionalizada com a molécula da sonda, neste caso, DNA de uma única cadeia, a fluorescência aumenta. Quando a molécula alvo, a cadeia de DNA complementar, se liga ao fio alvo, o aumento da fluorescência desaparece, permitindo ao usuário determinar a quantidade e a localização da ligação com base na intensidade da fluorescência. Outro tipo comum de biosensor é o sensor eletroquímico, que usa eletrodos para sentir reações de redox entre a sonda e moléculas-alvo. Isso é comumente feito usando uma enzima ligada à superfície do eletrodo. Quando a molécula alvo se liga à enzima sob um potencial aplicado específico, ocorre a redução ou oxidação do complexo. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, o que é diretamente proporcional à quantidade de molécula alvo ligada.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
O campo da biosensão não é sem seus desafios. Primeiro, um dos principais desafios é a contaminação da superfície biosensor por outras moléculas na amostra, chamada biofouling, que podem ocorrer em misturas complexas. Essa contaminação pode impedir que as moléculas da sonda desenham a molécula alvo na amostra, diminuindo consideravelmente a capacidade de detecção do sensor. Como resultado, alguns biosensores têm uma vida limitada e são regenerados ou eliminados. Alternativamente, revestimentos anti-biofouling podem ser desenvolvidos para mitigar esse efeito. O limite de detecção de um sensor refere-se à menor quantidade de substância que pode ser distinguida de forma confiável da ausência dessa substância. Um baixo limite de detecção é vantajoso na detecção de vestígios de uma substância com certeza, sendo a detecção de moléculas únicas o cenário ideal. No entanto, isso pode ser difícil, pois baixas concentrações muitas vezes resultam em sinais fracos que estão abaixo do ruído e são difíceis de quantificar. Grande parte das pesquisas atuais visa melhorar os limites de detecção, melhorando a eficiência de vinculação e reduzindo o ruído.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
Agora que discutimos alguns tipos comuns de biosensores, juntamente com seus desafios, vamos dar uma olhada em algumas aplicações desses conceitos básicos. Um sensor comumente usado é o microequilípmo de cristal de quartzo, ou QCM. QCM consiste em dois eletrodos de ouro separados por um cristal de quartzo, que tem propriedades piezoelétricas. Quando uma corrente alternada é aplicada, oscilações com uma frequência ressonante específica são induzidas. Esta frequência ressonante muda quando as moléculas se ligam à superfície. Esta mudança é usada para detectar a ligação das moléculas-alvo e a quantidade. Cantilevers especializados usam propriedades mecânicas para detectar a ligação de moléculas-alvo. Aqui, os cantilevers são funcionalizados com moléculas de sonda e, em seguida, expostos à molécula alvo. Ao se ligar à molécula alvo, o cantilever se desvia devido às mudanças no estresse superficial. Esta deflexão é então medida usando um laser.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
Você acabou de assistir a visão geral da JoVE sobre biosensing. Agora você deve estar familiarizado com o básico dos biosensores, alguns tipos-chave de sensores e seus desafios, bem como algumas aplicações no campo. Obrigado por assistir.
</div>

visão geral do biossensor

Biosensores são dispositivos que usam uma ampla gama de processos biológicos e propriedades físicas para detectar uma molécula biológica, como uma proteína ou célula, ou uma molécula não biológica, como um componente químico ou contaminante. Este campo interdisciplinar utiliza propriedades elétricas, ópticas, eletroquímicas ou mesmo mecânicas para detectar a presença da molécula alvo.
Este vídeo introduz o campo da biosensagem e revisa tipos comuns de tecnologias biosensoras. Este vídeo também discute os principais desafios no campo e fornece uma visão de como os biosensores são usados no campo.

Visão geral do biossensor

Biosensors are devices that use a wide range of biological processes and physical properties in order to detect either a biological molecule, such as a ...

Os biossensores revolucionaram os campos da medicina e da biotecnologia por meio da detecção e caracterização de moléculas-alvo em fluidos biológicos complexos. Um biossensor é um dispositivo que usa uma molécula receptora biológica, como uma enzima, para detectar um composto específico. Os biossensores usam diferentes métodos, como eletroquímica, propriedades mecânicas ou óptica, para detectar a ligação da molécula específica ao receptor. Este vídeo apresentará os biossensores e o campo dos biossensores, discutindo algumas técnicas básicas e tipos de biossensores, bem como suas aplicações. Primeiro, vamos discutir os fundamentos de como funciona um biossensor típico. Um biossensor consiste em um sistema de reconhecimento biológico, geralmente chamado de biorreceptor ou molécula de sonda. Geralmente é uma biomolécula imobilizada, como uma enzima, anticorpo ou ácido nucléico, que é usada para capturar seletivamente uma molécula-alvo. A ligação entre a sonda e as moléculas-alvo causa um evento mensurável, como uma mudança de pH, mudança óptica ou evento redox. Essa mudança é medida pelo transdutor, que converte as informações de ligação em um sinal quantificável. Alguns biossensores quantificam a quantidade de alvo ligado, fornecendo ao usuário uma concentração. No entanto, alguns são usados simplesmente para confirmar a presença de uma molécula, como em um teste de gravidez. O primeiro biossensor foi o sensor de oxigênio desenvolvido por Leland C. Clark. O sensor utilizou glicose oxidase, que é reduzida quando a glicose se liga. Na presença de oxigênio, a glicose oxidase é então oxidada, produzindo peróxido de hidrogênio em uma reação colateral. Quando o peróxido de hidrogênio é oxidado, um elétron é perdido e medido pelo eletrodo. Quanto mais oxigênio presente, mais peróxido de hidrogênio produzido e mais elétrons medidos. Essa descoberta abriu caminho para os biossensores modernos. Agora que apresentamos os biossensores e um pouco de sua história, vamos dar uma olhada em alguns tipos comuns de biossensores. Os sensores ópticos usam luz para detectar a ligação de uma molécula alvo à molécula da sonda. Um exemplo muito simples é um sensor baseado em fluorescência. Aqui, a superfície do sensor é revestida com um polímero, que possui uma baixa fluorescência basal. Quando a superfície do polímero é funcionalizada com a molécula da sonda, neste caso, DNA de fita simples, a fluorescência aumenta. Quando a molécula-alvo, a fita de DNA complementar, se liga à fita-alvo, o aumento da fluorescência desaparece, permitindo ao usuário determinar a quantidade e a localização da ligação com base na intensidade da fluorescência. Outro tipo comum de biossensor é o sensor eletroquímico, que usa eletrodos para detectar reações redox entre a sonda e as moléculas-alvo. Isso geralmente é feito usando uma enzima ligada à superfície do eletrodo. Quando a molécula alvo se liga à enzima sob um potencial específico aplicado, ocorre a redução ou oxidação do complexo. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, que é diretamente proporcional à quantidade de molécula-alvo ligada. O campo do biossensoriamento não está isento de desafios. Primeiro, um dos principais desafios é a contaminação da superfície do biossensor por outras moléculas na amostra, chamada bioincrustação, que pode ocorrer em misturas complexas. Essa contaminação pode impedir que as moléculas da sonda detectem a molécula alvo na amostra, diminuindo muito a capacidade de detecção do sensor. Como resultado, alguns biossensores têm uma vida útil limitada e são regenerados ou descartados. Alternativamente, revestimentos anti-bioincrustação podem ser desenvolvidos para mitigar esse efeito. O limite de detecção de um sensor refere-se à menor quantidade de substância que pode ser distinguida de forma confiável da ausência dessa substância. Um limite de detecção baixo é vantajoso para detectar vestígios de uma substância com certeza, sendo a detecção de uma única molécula o cenário ideal. No entanto, isso pode ser difícil, pois baixas concentrações geralmente resultam em sinais fracos que estão abaixo do ruído e são difíceis de quantificar. Grande parte da pesquisa atual visa melhorar os limites de detecção, melhorando a eficiência da ligação e reduzindo o ruído. Agora que discutimos alguns tipos comuns de biossensores junto com seus desafios, vamos dar uma olhada em algumas aplicações desses conceitos básicos. Um sensor comumente usado é a microbalança de cristal de quartzo, ou QCM. O QCM consiste em dois eletrodos de ouro separados por um cristal de quartzo, que possui propriedades piezoelétricas. Quando uma corrente alternada é aplicada, oscilações com uma frequência ressonante específica são induzidas. Essa frequência ressonante muda quando as moléculas se ligam à superfície. Essa mudança é usada para detectar a ligação das moléculas-alvo e a quantidade. Os cantilevers especializados usam propriedades mecânicas para detectar a ligação de moléculas-alvo. Aqui, os cantilevers são funcionalizados com moléculas de sonda e depois expostos à molécula alvo. Após a ligação da molécula alvo, o cantilever desvia devido às mudanças na tensão superficial. Essa deflexão é então medida usando um laser. Você acabou de assistir a Visão geral do Biossensoriamento da JoVE. Agora você deve estar familiarizado com os fundamentos dos biossensores, alguns tipos importantes de sensores e seus desafios, bem como algumas aplicações no campo. Obrigado por assistir.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Engenharia

Bioengineering

Bioengenharia

Overview of Biosensing

how biosensors detect molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples.

These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical properties. The choice of method depends on how the sensor is designed and what it is meant to detect.

Biosensing is an interdisciplinary field, so it brings together ideas from biology, chemistry, and physics. The video also reviews common biosensor technologies and the main challenges in the field. It shows how biosensors are used in real-world settings and why they matter in scientific testing.

How Biosensors Detect Molecules

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta coleção abrange os principais conceitos da bioengenharia, que incluem a produção de biomateriais, culturas histotípicas e de órgãos inteiros, técnicas de bioprocessamento e os complexos campos de nível de sistema de bioMEMs e biosensoriamento.

Learn how biosensors detect proteins, cells, chemicals, and contaminants using electrical, optical, electrochemical, or mechanical signals.

How Biosensors Detect Molecules

Description

Transcript

Tags