Biosensing'e Genel Bakış

Biyosensörler, karmaşık biyolojik sıvılardaki hedef moleküllerin tespiti ve karakterizasyonu yoluyla tıp ve biyoteknoloji alanlarında devrim yaratmıştır. Biyosensör, belirli bir bileşiği tespit etmek için enzim gibi biyolojik bir reseptör molekülü kullanan bir cihazdır. Biyosensörler, spesifik molekülün reseptöre bağlanmasını tespit etmek için elektrokimya, mekanik özellikler veya optik gibi farklı yöntemler kullanır. Bu video, bazı temel teknikleri ve biyosensör türlerini ve uygulamalarını tartışarak biyosensörleri ve biyoalgılama alanını tanıtacaktır.

İlk olarak, tipik bir biyosensörün nasıl çalıştığının temellerini tartışalım. Bir biyosensör, genellikle bir biyoreseptör veya prob molekülü olarak adlandırılan bir biyolojik tanıma sisteminden oluşur. Bu genellikle, bir hedef molekülü seçici olarak yakalamak için kullanılan bir enzim, antikor veya nükleik asit gibi hareketsizleştirilmiş bir biyomoleküldür. Prob ve hedef moleküller arasındaki bağlanma, pH değişikliği, optik değişim veya redoks olayı gibi ölçülebilir bir olaya neden olur. Bu değişiklik, bağlanma bilgisini ölçülebilir bir sinyale dönüştüren dönüştürücü tarafından ölçülür. Bazı biyosensörler, kullanıcıya bir konsantrasyon sağlayarak bağlı hedef miktarını ölçer. Bununla birlikte, bazıları hamilelik testinde olduğu gibi bir molekülün varlığını doğrulamak için kullanılır. İlk biyosensör, Leland C. Clark tarafından geliştirilen oksijen sensörüydü. Sensör, glikoz bağlandığında azalan glikoz oksidaz kullandı. Oksijen varlığında, glikoz oksidaz daha sonra oksitlenir ve bir yan reaksiyonda hidrojen peroksit üretilir. Hidrojen peroksit oksitlendiğinde, bir elektron kaybolur ve elektrot tarafından ölçülür. Ne kadar çok oksijen varsa, o kadar fazla hidrojen peroksit üretilir ve o kadar fazla elektron ölçülür. Bu keşif, modern biyosensörlerin önünü açtı. Artık biyosensörleri ve tarihçelerini biraz tanıttığımıza göre, bazı yaygın biyosensör türlerine bir göz atalım.

Optik sensörler, bir hedef molekülün prob molekülüne bağlanmasını tespit etmek için ışık kullanır. Çok basit bir örnek, floresan bazlı bir sensördür. Burada, sensörün yüzeyi, düşük bazal floresansa sahip bir polimer ile kaplanmıştır. Polimer yüzeyi prob molekülü ile işlevselleştirildiğinde, bu durumda, tek sarmallı DNA, floresan artar. Hedef molekül, tamamlayıcı DNA zinciri, hedef zincire bağlandığında, artan floresan kaybolur ve kullanıcının floresan yoğunluğuna bağlı olarak bağlanma miktarını ve yerini belirlemesini sağlar. Diğer bir yaygın biyosensör türü, prob ve hedef moleküller arasındaki redoks reaksiyonlarını algılamak için elektrotlar kullanan elektrokimyasal sensördür. Bu genellikle elektrot yüzeyine bağlı bir enzim kullanılarak yapılır. Hedef molekül, belirli bir uygulanan potansiyel altında enzime bağlandığında, kompleksin indirgenmesi veya oksidasyonu meydana gelir. Bu, bağlı hedef molekülün miktarıyla doğru orantılı olan bir elektron fazlalığı veya eksikliği yaratır.

Biyo-algılama alanının zorlukları da vardır. İlk olarak, önemli bir zorluk, biyosensör yüzeyinin, karmaşık karışımlar halinde meydana gelebilen, biyolojik kirlenme adı verilen, numunedeki diğer moleküller tarafından kontaminasyonudur. Bu kontaminasyon, prob moleküllerinin numunedeki hedef molekülü algılamasını engelleyebilir ve böylece sensörün algılama yeteneğini büyük ölçüde azaltabilir. Sonuç olarak, bazı biyosensörlerin sınırlı bir ömrü vardır ve ya yeniden üretilir ya da atılır. Alternatif olarak, bu etkiyi azaltmak için biyolojik kirlenme önleyici kaplamalar geliştirilebilir. Bir sensörün algılama sınırı, o maddenin yokluğundan güvenilir bir şekilde ayırt edilebilen en düşük madde miktarını ifade eder. Düşük bir tespit limiti, bir maddenin eser miktarlarını kesin olarak tespit etmede avantajlıdır ve tek molekül tespiti ideal senaryodur. Bununla birlikte, düşük konsantrasyonlar genellikle gürültünün altında olan ve ölçülmesi zor olan zayıf sinyallerle sonuçlandığından, bu zor olabilir. Mevcut araştırmaların çoğu, bağlama verimliliğini artırarak ve gürültüyü azaltarak algılama sınırlarını iyileştirmeyi amaçlamaktadır.

Şimdi bazı yaygın biyosensör türlerini zorluklarıyla birlikte tartıştığımıza göre, bu temel kavramların bazı uygulamalarına bir göz atalım. Yaygın olarak kullanılan bir sensör, kuvars kristali mikro terazi veya QCM'dir. QCM, piezoelektrik özelliklere sahip bir kuvars kristali ile ayrılmış iki altın elektrottan oluşur. Alternatif bir akım uygulandığında, belirli bir rezonans frekansına sahip salınımlar indüklenir. Bu rezonans frekansı, moleküller yüzeye bağlandığında değişir. Bu değişiklik, hedef moleküllerin bağlanmasını ve miktarını tespit etmek için kullanılır. Özel konsollar, hedef moleküllerin bağlanmasını tespit etmek için mekanik özellikler kullanır. Burada, konsollar prob molekülleri ile işlevselleştirilir ve daha sonra hedef moleküle maruz bırakılır. Hedef molekülün bağlanması üzerine, yüzey gerilimindeki değişiklikler nedeniyle konsol sapar. Bu sapma daha sonra bir lazer kullanılarak ölçülür.

JoVE'nin Biyoalgılamaya Genel Bakış kitabını az önce izlediniz. Artık biyosensörlerin temelleri, bazı temel sensör türleri ve zorluklarının yanı sıra sahadaki bazı uygulamalar hakkında bilgi sahibi olmalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.