Biossensores

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Janaina Cecília Oliveira Villanova Disciplina: Bioconjugados, Biossensores e Bioeletrônica Prof. Dr. Herman Sander Mansur Faculdade de Engenharia Metalúrgica e de Minas Universidade Federal de Minas Gerais Área de concentração - Ciência e Engenharia de Materiais - Biossensores enzimáticos: estado da arte Belo Horizonte 2009

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O que é um biossensor? Dispositivo analítico, ao qual se encontra acoplada uma entidade de reconhecimento, biológica ou biologicamente derivada, integrada ou associada a um transdutor físico-químico. Entidade biológica  elemento de biorreconhecimento, responsável pela detecção do analito; Transdutor  conversão do estímulo em forma mensurável de energia.

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O que é um biossensor?

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Características gerais Compactos; Portáteis ou não; Implantáveis ou não; Respondem em tempo real ou em curto espaço de tempo; Requerem manipulação mínima da amostra; Fácil manuseio; Caros.

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Atributos requeridos Seletividade / especificidade; Sensibilidade; Linearidade; Reprodutibilidade; Limite de detecção e quantificação; Robustez; Estabilidade; Capacidade de miniaturização.

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Possibilidades de aplicação Médica  monitoramento das condições de pacientes portadores de problemas crônicos; Biomédica  diagnósticos rápidos e precisos, em tempo real; Alimentícia  detecção de contaminantes químicos, biológicos e toxicológicos; Farmacêutica  screening de fármacos, análise de insumos farmacêuticos e produtos acabados, monitoramento in vivo da ação de fármacos e toxinas; Ambiental  monitoramento da contaminação em águas, resíduos industriais e emissão de gases poluentes;

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Biotecnológica  otimização do bioprocesso para obtenção de biocombustível; Militar  detecção de toxinas e patógenos no combate do bioterrorismo; Agricultura  detectar e quantificar patógenos bacterianos e virais, definindo posições com auxílio de sistema de posicionamento global (GPS). Detectar pesticidas em alimentos e no solo; Pecuária  detecção de fármacos residuais em animais destinados ao consumo como alimentos. Possibilidade de aplicação

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Componentes do biossensor

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Elemento de biorreconhecimento  afinidade, enzimático, híbrido; Tipo de transdução  elétrico, eletroquímico, óptico, térmico, piezoelétrico, magnético. Classificação Biorreceptores e métodos de transdução para biossensores. Adaptado de: MORRISON et al., 2007.

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Elemento de biorreconhecimento  enzimas; Fundamento  catálise; 1º biossensor enzimático foi desenvolvido por Clark, em 1959 e descrito em 1962. Biossensor enzimático 1918 - 2005

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Biossensor enzimático The Clark Oxygen Polarograph Electrode. Patent Pending Document, May 1956.

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Enzimas  especificidade; Atividade catalítica  atuam em meio aquoso, em condições ótimas de temperatura e pH . Biossensor enzimático

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Biossensor enzimático Enzima imobilizada  catálise do substrato; Transdutor  monitorar o desaparecimento de algum reagente ou o aparecimento de algum produto da reação entre o biorreceptor e o substrato em análise; Cossubstratos eletroativos  H2O2, CO2, NH3, O2, ácidos. Imobilização física ou química

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Biossensor enzimático Fator crítico  imobilização do receptor na superfície do transdutor; Ligação  estável, durável e não comprometer a especificidade do receptor pelo analito. Imobilização via grupo funcional específico: hidroxilas (-OH), carbonilas (C=O), carboxilas (COOH) e aminas primárias (NH2).

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Biossensor enzimático Fator crítico  dependência de espécies eletroativas; Solução  presença de mediadores capazes de extrair os elétrons do centro catalítico e transferi-los diretamente aos eletrodos, gerando um circuito elétrico; Material do eletrodo e/ou de revestimento  condução: Polímeros; Polímeros condutores eletroativos (EPC’s): PANI, Nafion®, polipirrol; Compósitos: carbono e sílica.

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Biossensor enzimático Biossensores enzimáticos de 1ª geração (a), 2ª geração (b) e 3ª geração (c).

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Biossensor enzimático Eletrodos quimicamente modificados PEREIRA, A.C.; SANTOS, A.S.; KUBOTA, L.T. Tendências em modificação de eletrodos amperométricos para aplicações eletroanalíticas . Química Nova, v.25, n.6, p.1012-1021, 2002.

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Biossensor enzimático Auto-organização de camadas moleculares em uma superfície de ouro (Au). Fonte: http://www.ifm.liu.se/applphys/ftir/sams.html Self-assembly (auto-organização)

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Biossensor enzimático Monitoramento do analito: 1. Detecção da redução de cossubstratos consumíveis; 2. Detecção do aumento de espécies eletroativas produzidas; 3. Detecção na evolução do estado redox do biocatalizador; 4. Transferência direta de elétrons entre o sítio ativo da enzima e o transdutor. Inibição enzimática  reversível e reversível; Análise de pesticidas e substâncias tóxicas.

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Biossensor enzimático Exemplos de enzimas imobilizadas em biossensores

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Determinação de compostos fenólicos ROSATTO, S.S. et al. Biossensores amperométricos para determinação de compostos fenólicos em amostras de interesse ambiental. Química Nova, v.24, n.1, p.77-86, 2001.

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Determinação de dicarbamatos LIMA, R.S. biossensor enzimático para detecção de fungicidas ditiocarbamatos. Estudo cinético da enzima aldeído desidrogenase e otimização do biossensor. Química Nova, v.30, n.1, p.9-14, 2007.

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Determinação de colesterol MARTINS, M. Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool vinílico)/ftalocianina. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p.

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Determinação de stress oxidativo ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001.

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Determinação de L-lactato LOWINSOHN, D.; BERTOTTI, D. Sensores eletroquímicos: considerações sobre mecanismos de funcionamento e Aplicações no monitoramento de espécies químicas em ambientes microscópicos. Química Nova, v.29, n.6, p.1318-1325, 2006.

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VII. Considerações finais BioMEMS (Biomedical or Biological Micro-Electro-Mechanical Systems)  dispositivos construídos em micro ou nanoescala, empregados para processar, liberar, manipular ou analisar entidades químicas e biológicas; Áreas afins  bioinformática, engenharia de materiais, bioquímica, medicina, química, física e bioeletrônica; Estratégias  novos materiais, mediadores e técnicas de imobilização.

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VII. Considerações finais Monitoramento em tempo real PEJCIC, B.; MARCO, R.; PARCKINSON, G. The role of biosensors in the detection of emerging infectious diseases. RSC, v.131, p.1079-1090, 2006.

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VII. Considerações finais Resposta em tempo real

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VII. Considerações finais REFERÊNCIAS ABEL, P.U. et al. Stability of immobilized enzymes as biosensors for continuous application in vitro and in vivo. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, v.7, p.93-100, 1999. ALFAYA, A.A.S.; KUBOTA, L.T. A utilização de materiais obtidos pelo processo de sol-gel na construção de biossensores. Química Nova, v.25, n.5, p.835-841, 2002. BASHIR, R. BioMEMS: state-of-the-art in detection, opportunities and prospects. Advanced Drug Delivery Review, v.56, p.1565-1586, 2004. BOGUE, R. Developments in biosensors – where are tomorrow’s markets? Sensor Review, v.25, n.3, p.180-184, 2005. BRABANDER, H.F. et al. Residue analysis: Future trends from a historical perspective. Journal of Chromatography A. In press. 2009. BRITO, N.M. et al. Validação de métodos analíticos: estratégia e discussão. Pesticidas: Ecotoxicologia e Meio Ambiente, v.23, p.129-146, 2003. BRUNO, L. et al. Imobilização de Proteínas do Veneno do Escorpião Tytius Serrulatus em Blenda Condutora de Polianilina-Poli(Metacrilato de Hidroxietila). Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.14, n.3, p.156-161, 2004. BUCKINGHAM, B. et al. Continuous glucose monitoring in children with type 1 diabetes. Journal of Pediatrics, v.151, p.388-93, 2007. CHAMBERS, J.P. et al. Biosensor recognition elements. Current Issues in Molecular Biology, v.10, p.1-12, 2008. DAHWAN, G.; SUMANA G.; MALHOTRA, B.D. Recent developments in urea biosensors. Biochemical Engeneering Journal, v.44, p.42-52, 2009. DENG, A. P.; YANG, H. A multichannel electrochemical detector coupled with an ELISA microtiter plate for the immunoassay of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid. Sensors and Actuators, v.124, p.202-208, 2007. FERNANDES, E.G.R. Biossensores Nanoestruturados para Monitoração de Glicose. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2005. 175p.

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VII. Considerações finais MONOSTÓRI, P. et al. Determination of glutathione and glutathione disulfide in biological samples: An in-depth review. Journal of Chromatography B. In press. 2009. MORRISON, D.W.G et al. Clinical Applications of Micro- and Nanoscale Biosensors. In: Biomedical Nanostructures. 2007. 507p. MURAKAMI, A.; SABBATINI, A. Sensores de Glicose e Bombas de Insulina - Em Busca do Pâncreas Artificial. Disponível em: <www.alexandre.sabbatini.com/documentos/pancreas-artificial.pdf> Acesso: 22/06/2009. NAGEL, B.; WARSINKE, A.; KATTERLE, M. Enzyme Activity Control by Responsive Redoxpolymers. Languimir, v.23, p.6807-6811, 2007. NAN, C. et al. Activation of nylon net and its application to a biosensor for determination of glucose in human serum. Enzyme and Microbial Technology, v.44, p.249-253, 2009. NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger - Princípios de Bioquímica. 3ª ed. São Paulo: Sarvier. 2002. NEWMAN, J.D.; SETFORD, S.J. Enzymatic Biosensors. Molecular Biotechnology, v.32, p.249-269, 2006. NYQUIST, R.M. et al. Characterization of Self-Assembled Monolayers for Biosensor Applications. Languimir, v.16, p.1793-18000, 2000. PINHEIRO, S.C.; RAIMUNDO JR., I.M. Uso de membranas de Nafion® para a construção de sensores ópticos para medidas de pH. Química Nova, v.28, n.5, p.932-936, 2005. PEREIRA, A.C.; KUBOTA, L.T. Otimização da preparação de eletrodo de pasta de carbono contendo riboflavina imobilizada em suporte inorgânico. Química Nova, v.27, n.5, p.725-729, 2004. RAZZINO, C.A. Desenvolvimento, caracterização e utilização de um nanobiossensor enzimático para a determinação da carbaril. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade de São Paulo. 2007. 96p. ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001. SAERENS, D. et al. Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development, Sensors, v.8, p.4669-4686, 2008.

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VII. Considerações finais RAZZINO, C.A. Desenvolvimento, caracterização e utilização de um nanobiossensor enzimático para a determinação da carbaril. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade de São Paulo. 2007. 96p. ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001. SAERENS, D. et al. Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development, Sensors, v.8, p.4669-4686, 2008. SANTOS, A.N. aspectos bioeletroquímicos de dendrímeros como nanoplataformas para aplicações clínicas. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2008. 178p. SANZ, V.; MARCOS, S.; GALBÁN, J. A blood-assisted optical biosensor for automatic glucose determination. Talanta, v.78, p.846-851, 2009. SHARMA, A.; ROGERS, K.R. Biosensors. Measurement Science and Technology, v.5, p.461-472, 1994. SOARES, J. C.; SANCHES, E. A.; GONCALVES, D. Detecção de Uréia em Biossensores de Polipirrol por meio de Transdutores Potenciométricos e Amperométricos. In: 11º Simpósio em Ciência e Engenharia de Materiais - SICEM, 2008, São Carlos - SP. SPIRIDONOVA, V.Z.; KOPYLOV, A.M. DNA Aptamers as Radically New Recognition Elements for Biosensors. Biochemistry, v.67, n.6, p.706-709, 2002. STREHLITZ, B.; NIKOLAUS, N.; SOLTENBURG, R. Protein Detection with Aptamer Biosensors. Sensors, v.8, p.4296-4307, 2008. THÈVENOT, D.R. et al. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Biosensor & Bioeletronics, v.16, p.121-131, 2001. TROJANOWICZ, M.; HITCHMAN, M.L. Determination of pesticides using electrochemical biosensors. Trends in Analytical Chemistry, v.15, n.1, p.38-45, 1996 TURNER, A.P. Biosensors – sense and sensitivity. Science, v.290, p.1315-1317, 2000. URBAN, G.A. Micro- and nanobiosensors—state of the art and trends. Measurement Science And Technology, v.20, p.1-18, 2009.

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VII. Considerações finais VIEIRA, N.C.S. Biossensores de Glicose Nanoestruturados Baseados em Dendrímeros PAMAM e Filmes finos de In2O3:Sn. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 141p. VO-DIHN, T.; CULLUM, B. Biosensors and biochips: advances in biological and medical diagnostics. Freseniu’s Journal of Analytical Chemistry, v.366, p.540-551, 2000. WANG, P. et al. Cell-based biosensors and its applications in biomedicine. Sensors and Actuators B, v.108, p.576-584, 2005. WANG, J. Electrochemical Glucose Biosensors. Chemical Reviews, v.108, p.804-825, 2008. WASSUM, K. et al. Silicon Wafer-Based Platinum Microelectrode Array Biosensor for Near Real-Time Measurement of Glutamate in Vivo. Sensors, v.8, p.5023-5036, 2008. WILSON, G.S.; HU. Y. Enzyme-Based Biosensors for in Vivo Measurements. Chemical Reviews, v.100, n.7, p.p.2396-2704, 2000. WINK, S.J. et al. Self-assembled Monolayers for Biosensors. Analyst, v.122, p.43R-50R, 1997. XU, F. et al. Combined Affinity and Catalytic Biosensor: In Situ Enzymatic Activity Monitoring of Surface-Bound Enzymes. Journal of the American Chemical Society, v.127, n.38, p.13084-13085, 2005. YASUZUWA, M. Preparation of glucose sensors using the Langmuir–Blodgett technique. Sensors and Actuators B, v.65, p.241-243, 2000. ZHANG, F. et al. Amperometric sensor based on ferrocene-doped silica nanoparticles as an electron transfer mediator for the determination of glucose in rat brain coupled to in vivo microdialysis. Journal of Electroanalytical Chemistry, v.571, p.133-138, 2004.