Aplicatiile biosenzorilor in biotehnologie

Aplicatiile biosenzorilor in biotehnologie

Biosenzorii sunt detectori ce se bazeaza pe molecule selective ce intra in componenta plantelor si animalelor.

Biosenzorii moderni au evoluat din combinarea a doua discipline separate: tehnologia informationala, (microcircuite si fibre optice, procesare numerica a datelor, teoria generala a sistemelor cu comportare neliniara) si biologia moleculara. Prima furnizeaza electrozi miniaturali sau senzori optici, tehnica de preluare si procesare a informatiei iar a doua, pune la dispozitie biomolecule care recunosc o substanta tinta.

Biosenzorul consta in cuplarea spatiala intre un substrat biologic activ (receptorul) imobilizat pe un traductor de semnal (dispozitiv electronic) si un circuit electronic de amplificare.

Fig. 1.0

Prezentarea

schematica

a unui

biosenzor.

Istoria    biosenzorilor

In 1950 Leland C. Clark Jr., a inventat un electrod destinat a fi folosit pentru masurarea oxigenului dizolvat in sangele bolnavilor operati. Acesta este format dintr-un electrod de platina si un electrod cu o membrana de plastic permeabila la gaze..
In 1962 Clark extinde folosirea acestui 'electrod de masurare a oxigenului' la determinarea nivelului de glocoza in sange. El a imbracat senzorul pentru oxigen cu un strat subtire de gel ce contine un biocatalizator, enzima numita gluco-oxidaza, urmat de o membrana semipermeabila de dializa ce permite glucozei sa difuzeze in senzor, dar opreste enzima sa difuzeze afara..
In 1969, G.Guilbault a inventat un sistem de masura a ureei in fluidele corpului. Dispozitivul lui foloseste o enzima, ureaza, ce converteste urea in bioxid de carbon si amoniac. Electrodul sesizeaza schimbarile in concentratia ionilor de amoniu. Acest dispozitiv a constituit o imbunatatire pentru ca se bazeaza pe o detectie potentiometrica, o tehnica ce a fost folosita foarte mult. In timp ce senzorii lui Clark masoara trecerea curentului prin electrod, senzorul potentiometric masoara tensiunea ceruta pentru mentinerea curentului la zero. Electrodul nu consuma nici un fel de reactanti de aceea este mai putin susceptibil la erori cauzate de schimbarile survenite in mediul extern. In plus, sistemul potentiometric are o curba logaritmica de raspuns astfel incat poate urmari o concentratie de peste 100 de ori.
In deceniile ce au urmat, peste 100 de enzime au fost folosite in biosenzori. Cercetatorii in domeniu au realizat ca nu numai enzimele singulare se pot folosi, ci si tesuturi ce reactioneaza la aminoacizi si la alte biomolecule importante. De ex, folosirea pulpei de banana pentru masurarea dopaminei, miezul de porumb pentru piruvat, frunza de castravete pentru cisteina, sfecla de zahar pentru tirozina, ficatul de iepure pentru guanina si pudra de muschi de iepure pentru monofosfat de adenozina.
Biosenzorii au inceput sa fie folositi cu succes si in alte domenii decat cele medicale. Astfel, Isao Kurube si Shuichi Suzuki au masurat cerintele biochimie ale oxigenului, ce reprezinta un indiciu al prezentei materiilor organice in apa uzata.
Biosenzorul, bazat pe drojdie, face o citire a rezultatelor in 30 minute fata de 5 zile in care se obtin rezultatele prin metode conventionale.
Biosenzorii sunt folositi si pentru a determina calitatea hranei si prospetimea ei ( pentru peste, carne, etc). Cu mare succes sunt folositi in industrie, in procesele industriale, pentru a determina compozitia chimica a materialelor de-a lungul proceselor. Aceste masuratori sunt importante in special in biotehnologie, unde in mod curent nu se pot monitoriza culturile de microorganisme procese de fermentatie ce produc proteine active si alte produse ca interferon sau insulina.

Aplicatii ale biosenzorilor

Principala cerinta pentru un biosenzor este aceea de a fi valoros in acord cu cercetarile si aplicatiile comerciale: identificarea moleculelor tinta, disponibilitatea recunoasterii elementelor biologice corespunzatoare si potentialul pentru detectarea posibilitatii sistemelor, sa fie sensibile tehnologiei de laborator in cateva situatii.
Aplicatiile acestor dispozitive sunt cu atat mai variate cu cat moleculele incorporate sunt mai variate. Asistenta medicala este cea care beneficiaza imediat de biosenzori, nu numai in testele clinice, dar si in fabricarea de medicamente si inlocuirea unor organe ca pancreasul artificial pentru diabetici.

Biosenzorii se folosesc de asemenea pentru stabilirea calitatii si sigurantei hranei si detectarea factorilor de mediu poluanti. Alte cateva exemple se pot aminti: detectarea patogenilor, determinarea nivelelor de toxicitate inainte si dupa bioremeditare, detectarea si determinarea organofosfatilor, determinarea metabolitilor toxici cum ar fi micotoxine, etc

Nanotehnologia va putea fi folosita in industria alimentara

Oamenii de stiinta si cercetatorii de la Serviciul de Cercetare Agricola au dezvoltat un senzor biologic microscopic ce are ca scop detectarea bacteriei de Salmonella. Senzorul a fost testat momentan in laborator, iar pe viitor va putea fi adaptat pentru a detecta si alte forme de agenti patogeni ce se dezvolta in produsele alimentare.

Senzorul biologic microscopic dezvoltat de ARS

Senzorul este parte a evolutiei stiintifice numita nanotehnologie, studiu ce manipuleaza materiale la nivel molecular sau chiar atomic, cu dimensiuni cuprinse intre 10 si 100 de ori mai mici decat firul de par.

Si in natura exista exemple de senzori biologici, ca exemplu fiind insectele ce detecteaza cantitati infime de feromoni pentru a putea gasi parteneri pentru imperechere. Un al exemplu ar fi pestii care detecteaza vibratiile imperceptibile din apa cu ajutorul biosenzorilor naturali.

Potentialul acestui senzor poate fi folosit pentru a asigura siguranta calitatii produselor alimentare.

Biosenzorul realizat include si un colorant organic fluorescent ce se ataseaza de anticorpii Salmonellei, aceasta devenind fluorescenta si mai usor de vazut.