Visão geral do biossensor

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.

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.

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.

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.

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.

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.