Биосензори § Биочипове за устойчиво бъдеще

Начално ниво

Биочипове се появиха като иновативна микротехнологична платформа за анализ на биомолекула през 80-те години.

Съдържание

Биосензори и биочипове: Общ преглед

Проекти за биосензори: Дизайн и експлоатация

Проекти за биочипове: Дизайн и експлоатация

Тест: РО3 Начално ниво

Препратки

Биосензори и биочипове: Общ преглед

Проекти за биосензори: Дизайн и експлоатация

Проекти за биочипове: Дизайн и експлоатация

Тест: РО3 Начално ниво

Препратки

 

Биосензори и биочипове: Общ преглед

Биочипове се появиха като иновативна микротехнологична платформа за анализ на биомолекула през 80-те години. Различни технологии, като науки за живота, информационни технологии, микроелектроника и микромеханика, са включени в разработването на основните технологии. Биочиповете се считат за важни потенциални инструменти в съвременните научни изследвания в областта на науките за живота, медицинската диагностика, откриването на лекарства, мониторинга на безопасността на храните и селското стопанство като високоефективни, миниатюризирани, автоматизирани и рентабилни устройства. Очаква се биочиповете да позволят драстично да се увеличат скоростта и обхватът на аналитичния процес и да осигурят огромна икономическа печалба. Освен това, през последните години многобройни правителства и индустриални компании в света инвестираха сериозно в този сектор. Засега биочип технологията е само в ранната си еволюция. Това е област, която непрекъснато се променя. Бъдещето на научните изследвания и разработките за биочипове е светло, но в тази област има и яростна конкуренция.

При биомедицинските изследвания и науките за живота миниатюризацията на химичните и биомедицински лабораторни процеси върху микрочипове е бързо разрастваща се област. Технологиите „лаборатория върху чип“ ще донесат много предимства пред техните макроразмери. По-специално, по-високите съотношения на повърхността към обема водят до намалени химически изисквания, намалени отпадъци, по-добър контрол, бърза обработка и значителна способност за паралелна обработка и включване на процеса. Технологиите „лаборатория върху чип“ имат потенциала да имат значително социално-икономическо въздействие. В лабораторната медицина напълно интегрираните микро устройства за химичен синтез и диагностика на заболявания представляват научен пробив и промяна на парадигмата в химическата обработка. Проектът за човешкия геном има огромен принос за тази технология.

В областта на анализа, биосензорите позволяват големи иновации, които едновременно улесняват и са улеснени от развитието на синтетичната биология. Потенциалът на биосензорите да идентифицират широк спектър от молекули лесно и точно ги прави изключително важни за различни индустриални, медицински, екологични и научни приложения. Стратегиите за проектиране на биосензори са толкова многобройни, колкото и техните приложения, като основните групи биосензори включват нуклеинови киселини, протеини и транскрипционни фактори. Въз основа на очакваната употреба и параметрите, необходими за оптимална производителност, всеки от тези видове биосензор има предимства и ограничения. По-специално, съображения като специфичност на лиганда, чувствителност, динамичен обхват, функционален обхват, изходен режим, време за активиране, лекота на използване и лекота на инженерство трябва да бъдат взети предвид при избора на дизайна на биосензора.

Проекти за биосензори: Дизайн и експлоатация

Биосензорите са сензори, които трансформират процесите на биоразпознаване чрез физико-химичен преобразувател във видими сигнали, с електронни и оптични техники като два основни преобразувателя. Създаването на биосензори отговаря на бързо нарастващата днешна нужда от клинична диагностика. Комбинация от предимства се постига чрез използването на биосензори. Биосензорите, първо, са силно чувствителни. Това е така, защото биомолекулите имат висок афинитет към своите цели, например, антителата улавят антигени с дисоциационна константа в наномоларната скала, а взаимодействията ДНК-ДНК са много по-силни от антиген-антитяло. Второ, биологичното разпознаване обикновено е много избирателно. Ензимът и субстратът наподобяват например ключалка и ключ. Такава висока селективност често води до биосензори, които са селективни. Трето, производството на евтини, интегрирани и готови за употреба биосензорни устройства стана относително лесно да се развие поради развитието на съвременната електронна индустрия. Способността за откриване на патогени или извършване на генетичен анализ в болниците със сигурност се подобрява от тези биологични сензори и по-важното е, че те са особено полезни за малки клиники и дори за анализ на точково обслужване.

За биосензори с клинично приложение са разработени редица нови техники. По принцип биосензорите са аналитични устройства, изградени от елемент на биологично разпознаване и оптичен/електронен преобразувател. Биологичният елемент е отговорен за улавянето на разтворените аналити, а преобразувателят трансформира свързващия процес в измерима вариация на сигнала. По естеството на разпознаването биосензорите, те могат да се категоризират като на базата на ензими, имунологичните биосензори и ДНК биосензорите. В допълнение се предлагат електронни биосензори (електрически или електрохимични), оптични биосензори (флуоресцентен, повърхностен плазмонен резонанс или Раман) и пиезоелектрични биосензори (кварцов кристален микробаланс) в зависимост от вида на преобразувателя.

Електрохимични биосензори

За биологично засичане, където електродите функционират или като донори на електрони, или като акцептори на електрони, електрохимичните техники са особено полезни. Обширни електрохимични експерименти показват, че теорията за електронен трансфер на Маркус също е в съответствие с хетерогенния електронен трансфер между електроди и ограничени на повърхността редокс молекули, подобно на донорно-акцепторните двойки в хомогенни разтвори. Това означава, че промените в малки разстояния в окислително-редукционните повърхностни молекули могат да доведат до големи вариации в хетерогенните скорости на електронен трансфер, които трябва да се превърнат в откриваеми промени в електрохимичните сигнали. Хелинга и колеги, например, предложиха електрохимична сензорна стратегия, която използва протеинови лиганд-медиирани шарнирно-огъващи движения. Златен електрод първо беше покрит със самосглобяем монослой (SAM), който дава гъвкава платформа за специфично обектно обездвижване. След това малтозо-свързващият протеин (MBP) беше прикрепен на повърхността на златния електрод с определена ориентация, като редокс репортерната група на рутений (Ru (II)) е фиксирана в определен диапазон над електрода. Тъй като лигандът малтоза се свързва с активния център на ензима, репортерът Ru (II) се отдалечава от електрода, причинявайки движение на шарнирно огъване (Фигура 1).

Figure 1. Construction and operation of electrochemical biosensor

Фигура 1 – Маркиран с рутений малтозо-свързващ протеин  (MBP), е място, специално прикрепено към самосглобяем монослой (SAM), покрит със златен електрод. Процесът на свързване с протеин-лиганд посредничи на зависими промени между редокс-репортерната група Ru (II) и повърхностно модифициран златен електрод, който по този начин променя потока на тока между двата компонента. Откъс с разрешение от Benson DE, Conrad DW, de Lorimier RM, et al. 2001. Проектиране на биоелектронни интерфейси чрез използване на шарнирно-огъващи движения в протеините. Science, 293: 1641–4. Copyright 2001 © AAAS.

Тази индуцирана промяна на разстоянието, свързана с малтозата, води до намаляване на електрохимичните сигнали, зависещо от концентрацията, като по този начин осигурява начин малтозата да бъде електронно засечена. Показано е също така използването на този силно обобщен сензорен подход за откриване на различни аналити с група протеини или ензими, подложени на лиганд-свързващи индуцирани конформационни промени.

Ензим-базирани биосензори

Първите документирани някога биосензори са биосензори, базирани на глюкозооксидаза (GOD), създадени от Кларк и Лайънс през 1962 г. Хипергликемията, представляваща хронично повишена концентрация на кръвна глюкоза, е често срещана при захарен диабет. В резултат на това редовният контрол на концентрацията на глюкоза в кръвта е от съществено значение за пациентите с диабет. Ползата от електрохимията, съчетана с ензимна катализа, е този биосензор и неговите по-нови версии. Биосензорът на Кларк представлява електрод, имобилизиран с GOD Окислената форма на GOD взаимодейства с глюкозата в присъствието на глюкоза и произвежда глюконова киселина и редуциран GOD, като участват два електрона и два протона. Тъй като разтвореният кислород реагира с намален GOD, това глюкозно окисление също консумира кислород в разтвора, като по този начин произвежда водороден пероксид, окислява GOD и понижава кислородното налягане. В резултат на това чрез електрохимично засичане на кислород с кислороден електрод на Кларк, електродът може да открие глюкозата. Този вид сензор се счита за биосензор от „първо поколение“. Компанията Yellow Springs Instrument (Охайо, САЩ) предлага на пазара този биосензор от първо поколение през 70-те години.

Биосензорът от второ поколение замества естествено съществуващия субстрат кислород с малки изкуствени редокс молекули, които действат като редокс медиатори и обменят електрони между електроди и ензими. За да се подобри ефективността на сензора, тоест чувствителност и съотношение сигнал/шум, бяха използвани различни разтворими окислително-възстановителни молекули, като фероцен, тионин, метиленово синьо, метил виологен. Тези медиатори първоначално бяха разтворени в разтвор. Те получават електрони от електродите и след това, или обратно, тези електрони се пренасочват към редокс центъра на ензимите. Имобилизираните медиатори бяха предложени като стъпка напред, за да се подобрят безреагентните биосензори. Например, за водороден пероксид, Ruan et al през 1998 г. документират сензор в твърдо състояние без реагенти. Златните електроди първо бяха модифицирани с L-цистеин, а след това пероксидази от хрян (HRP) бяха свързани чрез глутаралдехид към аминовата група на цистеин, а тионинът беше свързан с ензима по същата химическа връзка. В резултат на това златният електрод беше имобилизиран както от ензима, така и от медиатора, който можеше да открие водороден пероксид в тествания разтвор без допълнително добавяне на реагент. Съществено предимство на тази конфигурация на биосензора е, че медиаторът е фиксиран върху повърхността на електрода, като по този начин се предотвратява проблема с дифузията.

Алтернативно решение, включващо използването на редокс полимери, беше посочено от Хелър и колеги. Първо, те приготвиха легиран полимер с Os2+ комплекс. Този тип полимер функционира като „молекулярна жица“ и обменя електрони между ензима и електрода. След това Os-полимерът и глюкозната оксидаза се коимобилизират върху въглеродния електрод, което генерира чувствителен отговор на присъствието на глюкоза. Те успяха да направят почти 100% имобилизирани ензимни молекули, които са електроактивни чрез използването на тези окислително-възстановителни полимери, което допринесе за много висока чувствителност на метод за откриване на глюкоза.

Комерсиализацията на ензимен биосензор от второ поколение беше доста успешна. През 1987 г. е създадена MediSense, който замества глюкозни сензори Exactech™. Този успех доведе до революция в здравеопазването за пациенти с диабет. Вместо да пътуват до болници, те могат да контролират концентрацията си на кръвна глюкоза у дома. Системите MediSense и по-късно амперометричните биосензорни системи се състоят от GOD покрити еднократни въжени електроди и медиатори (тест ленти) за еднократна употреба. Сензорът започва да функционира, когато капчица кръв е приложена към тест лентата и записва амперометричния отговор, който се трансформира в цифра, показана на дисплей, индикираща концентрацията на глюкоза.

Съвсем наскоро, проектирайки реконструиран GOD ензим, Xiao et al (2003) публикува ново поколение глюкозни биосензори. Те първо получиха апо-ГОД ензим, свободен от кофактора на флавин аденин динуклеотид (FAD), след което функционализираха и реконструираха 1,4-нм златна наночастица с FAD в апо-GOD. Чрез използване на дитиол монослой, такъв реконструиран ензим се свързва със златни електроди (Фигура 2). Те демонстрираха, че оборотът на електронен трансфер на този изкуствен ензим достига до 5000 s-1, приблизително 8 пъти по-висок от нормалния ензим (700 s-1). Златната наночастица в тази система служи като електронно реле за електрическото окабеляване на редокс центъра на ензима. В тази област, глюкозният биосензор, създаден от Xiao et al, представлява нов път, свободен от медиатори и силно чувствителен. Съвсем наскоро, използвайки въглеродни нанотръби с една стена (SWNTs) вместо златни наночастици, групата на Willner документира модифицирана версия на този сензор и постигна подобна ефективност. Въпреки че все още няма комерсиализация на тази технология, се очаква модерните биосензори да бъдат допълнително подобрени.

Фигура 2 – (А) Сглобяване на Au-NP-реконституиран GOx електрод чрез (a) адсорбция на Au-NP-реконституиран GOx към дитиолов монослой, свързан с Au-електрод и (b) адсорбцията на Au-NP, функционализирани с FAD, върху модифицирания дитиол Au електрод, последвано от възстановяване на апо-GOx върху функционалните NP (16). (B) STEM изображение на GOx, възстановено с Au-FAD хибриден NP. Стрелките показват Au клъстери. Откъс с разрешение от Xiao Y, Patolsky F, Katz E, et al. 2003. Включване в ензими: наносвързване на редокс ензими от златна наночастица. Science, 299: 1877–81. Copyright 2003 © AAAS.

Имунологичен биосензор

За да се идентифицират екологични или клинично важни цели, имунологичните биосензори зависят от силно специфична имунологична система, т.е. антитела и антигени. В действителност имунологичните биосензори са модерен вариант на ензимно-свързания имуносорбентен анализ (ELISA), с по-ниски разходи, увеличена скорост и удобство на обслужване и чувствителност, която е сравнима или дори по-висока.

Сред най-често срещаните са електрохимичните имунологични биосензори. Предлагат се два вида имунологични биосензори. Първо, електродът се имобилизира с улавящо антитяло, което улавя определен целеви антиген. Чрез вторично антитяло, маркирано с редокс молекули или ензими, се постига сигнална трансдукция. Второ, електродният антиген е имобилизиран, като открива специфични антитела.

Ju и колегите му създадоха амперометричен имунологичен биосензор за карциноембрионален антиген (CEA). Тионин и HRP-белязани CEA антитела се коимобилизират върху стъклен въглероден електрод, свързан с глутаралдехид. В разтвора, който е свързан с електродната реакция на тионина, HRP каталитично редуцира водороден пероксид, което води до катализиран сигнал. Редокс центърът на HRP беше частично блокиран чрез улавяне на CEA, което доведе до затихване на амперометричните сигнали.

Rusling и колеги наскоро се възползваха от SWNT, за да подобрят имунологичните биосензорни характеристики (Фигура 3).

Фигура 3 – Схематична диаграма на процедурата за анализ на сандвич HSA. Откъс с разрешение от Yu X, Kim SN, Papadimitrakopoulos F, et al. 2005. Протеинов имуносензор, използващ въглеродни нанотръби с една стена с електрохимично откриване на ензимни маркери. Mol Biosyst, 1: 70–8. Copyright 2003 © Royal Society of Chemistry.

Използвайки самосглобяващо се посредничество от метал, те проектираха вертикално подравнени масиви от SWNTs (SWNT гора) върху пиролитични графитни електроди. След това Anti-HSA, използвайки EDC/ NHS, беше ковалентно свързан с карбоксилираните краища на гората от SWNT. По-нататък електродът се инкубира с вторично HRP-белязано анти-HSA антитяло след свързване с HSA целта. Целта HSA в тестовия разтвор може да бъде идентифицирана въз основа на каталитичния сигнал на HRP за водороден прекис. Чувствителността на откриване, която беше около 1 nМ, беше значително подобрена чрез използването на SWNT гори. Това вероятно се дължи на подобрената реактивност на електронен трансфер на HRP, капсулиран в горите SWNT.

Един от най-подходящите клинични инструменти са имунологичните анализи. Въпреки това, съществуващите методи за анализ, като ELISA, изискват големи и скъпи инструменти, както и добре обучени специалисти. За разработването на евтини, миниатюризирани и компактни устройства, електрохимичните методи са добре адаптирани. В резултат на това е изключително желателно разработването на електрохимични имунологични биосензори, които да отговарят на полевия анализ и анализ на точката на употреба. Важно е да се спомене, че използването на еднократно отпечатани електроди може да бъде от решаващо значение за тази цел, сравнима с биосензорите за глюкоза. За да се извършат анализи с висока производителност (HTS), също е важно да се установят микрочипове на антитела, базирани на електрохимия.

ДНК биосензори

Наблюдава се огромен научен и технологичен интерес към идентифицирането на ДНК хибридизационни събития. Бързо нарастващият интерес към клинична диагностика, базирана на чипове, особено демонстрира това значение. Поради това през годините са разработени разнообразни техники, включително оптични, акустични и електронни подходи. През последните десетилетия флуоресцентното откриване доминира сред най-съвременните геносензори сред тях. Електрохимичните методи обаче, които се оказаха ефективни при прости химически видове, особено метални йони, привлякоха все по-голям интерес към приложенията за откриване на биологични видове.

Предимствата на електронната детекция включват: 1) електрохимичното откриване обикновено е евтино, като по този начин позволява високо чувствителен и бърз скрининг; 2) няколко електроактивни съединения, напр. металоцените, са стабилни и нечувствителни към околната среда, за разлика от флуорофорите, които често имат проблеми с „фото избелване“; 3) подходящият молекулярен дизайн и синтез, които генерират разнообразни производни, всеки със специфичен редокс потенциал; 4) бързо установената силициева индустрия проправи пътя за масово производство на интегрални схеми, правейки електронната детекция особено подходяща и съвместима с технологиите, базирани на микрочипове; 5) експоненциалният растеж на науката и технологиите на интерфейса разкри разгадани мистерии в прецизния контрол на повърхностните свойства, които са една от ключовите барикади в биоелектронните приложения.

При умерено приложени напрежения самата ДНК е електрохимично безшумна, докато се предвиждат значителни смущения при високи напрежения, които карат ДНК базите да се окисляват/ редуцират. Милън беше първият, който предложи секвенционно-селективно откриване на ДНК въз основа на показатели за електроактивна хибридизация, които осигуряват електронни сигнали и двойно и едноверижно ДНК разграничение. Детекциите от тип „сандвич“ бяха предложени в опит да се намали високият фон, получен от незначителното свързване на индикатори за хибридизация със сДНК. Въведена е ДНК верига, притежаваща електроактивен маркер, която да действа като сигнална молекула в допълнение към имобилизирана ДНК сонда. По същия начин, със сонди с наночастици, Парк и колеги през 2002 г. разработиха базирана на решетки електрическа ДНК детекция, която демонстрира висока чувствителност и селективност. Технология, базирана на относително високата окислителна активност на гуанин и неговото сътрудничество от екзогенни редокс катализатори, е разработена от Торп една година по-късно. Разграничението на ds/ ss се получава от факта, че гуанинът има относително ниска реактивност на електронен трансфер в дуплекси поради стеричния ефект. При откриването на PCR продукти, този метод е силно чувствителен, но относително беден при различаване на хибридизационни събития. Освен това този метод е възможен само на ITO повърхности досега, тъй като високият окислителен потенциал все още изключва използването на злато.

Въпреки напредъка, разработването на универсален (т.е. без реагент) сензор, който конкретно сигнализира за улавяне на целта, все още е много важно (т.е. избягване на по-нататъшното лечение със сигнални молекули или индикатори за хибридизация). Жизнеспособно средство за тази цел се осигурява от ДНК или РНК аптамери. Аптамерите са добре структурирана ДНК или РНК, които имат висок афинитет и селективност за определени цели, както и естествени ензими, като по този начин показват превъзходна стабилност спрямо крехките ензими. Те са много обещаващ инструмент за терапия и диагностика. Дотогава, за почти всяка дадена цел, добре развитата in vitru селекция успя да произведе аптамери. С оглед на тези предимства, олигонуклеотидните аптамери се предвиждат да бъдат биосензорните компоненти на следващото поколение. Лесна, организирана подобна на фиба ДНК с електроактивен маркер (електронна ДНК фиба) беше използвана от Fan и колеги като градивен елемент за определяне на хибридизационни събития (Фигура 4).

Фигура 4 – Олигонуклеотид на стеблов контур, притежаващ терминален тиол и фероценова група, се имобилизира на златен електрод чрез самосглобяване. При липса на цел, структурата на стволовия контур държи фероценовия маркер в непосредствена близост до повърхността на електрода, като по този начин осигурява бърз електронен трансфер и ефективен редокс на фероценовия маркер. При хибридизация с целевата последователност се наблюдава голяма промяна в окислително-редукционните токове, вероятно защото фероценовият маркер е отделен от повърхността на електрода. Откъс с разрешение от Fan C, Plaxco KW, Heeger AJ. 2003. Електрохимичен разпит на конформационни промени като безреактивен метод за специфично за последователността откриване на пикомоларна ДНК. Proc Natl Acad Sci U S A, 100: 9134–7. Copyright 2003 © Националната академия на науките на Съединените американски щати.

ДНК, подобна на фиба, беше невероятно завладяващ аптамер, който формира основата за разпознаване на хомогенна хибридизация на флуоресцентни „молекулярни маяци“. ДНК последователността е проектирана така, че при липса на цели, този „маяк“ е в близко състояние, докато бъде „включен“, когато достигне конкретната си генна цел. Наличието на конструкцията на стволовия контур в структурата предлага превключвател за включване/ изключване, както и строгост за диференциране спрямо несъответствието на единична ДНК хибридизация. Тиолиран край дава лепкав край на златната повърхност на тази електронна ДНК фиба, докато фероценовият маркер трансдуцира електронни сигнали в другия край. Първоначалната фиба локализира фероцена близо до повърхността на електрода, като по този начин позволява междуфазния електронен трансфер. След хибридизация, образуването на линейна дуплексна структура нарушава фибата и насилва фероцена и електрода. Тази значителна промяна на разстоянието (до няколко нм) ефективно блокира междуфазния електронен трансфер и води до намаляване на съответните електрохимични токови сигнали. Тази стратегия предлага възможност за идентифициране на 10 pМ ДНК цели. По-важното е, че такъв дизайн се възползва от интегрирането в рамките на една повърхностно ограничена структура на фиба на улавящата част (последователност на сондата) и сигналната част (електроактивни видове). За разлика от повечето предложени по-рано твърдо-телни ДНК сензори, този дизайн следователно е ефективен без реагенти, т.е. това осигурява основата за разработването на преносим, непрекъснат ДНК анализатор, който може да бъде полезен за медицински и военни приложения.

Като двойна спирала на ДНК беше предложена среда за електронен трансфер (ET) на дълги разстояния чрез нейното базово подреждане. Въпреки че този въпрос се обсъжда дълго време, Бартън и колеги са доказали електрохимично, че добре ориентираните златни електродни ДНК филми позволяват електронен трансфер на голям обсег и че такъв ЕТ е силно чувствителен към основни подреждания като несъответствия. Те откриха, че електроактивните интеркалатори като метиленово синьо (MB) могат ефективно да бъдат намалени чрез напълно съвпадащ ДНК-дуплекс-модифициран електрод. Съществуването на само едно несъответствие обаче превръща подобната на тел ET среда в изолатор, като напълно нарушава ET между MB и електрода. Чрез циклични волтаметрични или кулометрични анализи, които са в основата на сензор за бърз скрининг на ДНК мутация, такава разлика може лесно да бъде прочетена. Бартън и колеги също демонстрираха, че електрокатализата може да подобри чувствителността на тази стратегия. В разтвор добавянето на ферицианид постоянно извлича електрони от електрохимично редуциран MB, усилвайки електронния поток през двойната спирала на ДНК. Това помага за откриване на ~ 108 молекули ДНК с 30-μм електрод. Те също така са разработили ДНК-базирани сензори за откриване на ДНК-свързващи протеини паралелно с откриването на ДНК. Смята се, че някои ДНК-свързващи протеини или ензими взаимодействат с двойката основи на ДНК, трансформирайки двойната спирала на ДНК от ефективни ET проводници в изолатори. Те установиха чувствителен начин за електрическо изследване на различни ДНК-свързващи протеини въз основа на сравнимата сензорна стратегия. От решаващо значение е, че тези сензори разграничават успешно протеините, които се свързват с ДНК, но те не нарушават подреждането на основите. Това със сигурност потвърждава, че прекъсването на сигнала при свързване с протеини се дължи на промяната на ET средата, имаща отношение към подреждането на основата.

Бъдещето на клиничните биосензори

Въпреки бързото подобрение в развитието на биосензорите, клиничните приложения на биосензорите все още са редки, с изключение на глюкозният апарат. Това е в пряк контраст с критичната необходимост от тестване на място в малките клиники. Предполагаме, че долупосочените спецификации са от значение.

Първо, висока чувствителност: Подобряването на чувствителността е непрекъснат приоритет в развитието на биосензорите. Ясно е, че критерият за чувствителност варира при всеки отделен случай. Например, тъй като нивата на глюкоза са високи в кръвта, човек не се нуждае от много висока чувствителност за откриване на глюкоза. Това е основна част от причината, поради която глюкозните апарати са успешни. Въпреки това, в много ситуации, за да се отговори на изискванията на молекулярната диагностика и детекцията на патогени, е много важно да се установят високочувствителни биосензори с оптимално едномолекулно детектиране.

Второ, висока селективност: При прилагането на биосензори това може да е значителна пречка. Повечето от биосензорите, споменати в литературата, функционират много добре в лабораториите, но в реални тестови проби редица проблеми могат да бъдат открити. В резултат, за да се предотврати неспецифична повърхностна адсорбция, е важно да се установят нови подходи за модификация на повърхността.

Трето, мултиплексирането е от решаващо значение за спестяване на времето за анализ, което е особено важно за лабораторните или клиничните анализи. Ето защо е важно да се създадат масиви от електроди с висока плътност, както и електрохимични инструменти, които могат да провеждат голям брой анализи едновременно.

Четвърто, за да се увеличи преносимостта, е от съществено значение да се създадат миниатюризирани биосензори, като по този начин се удовлетворят изискванията на тестването на място.

Пето, уместно е да се интегрира и силно автоматизира идеален биосензор. Решение на тази цел се предлага от съвременните технологии на лаборатория върху чип (микрофуидици). Можем да очакваме всички тези функции да бъдат интегрирани в успешните биосензори в бъдеще и да могат лесно да откриват малките цели за кратък период от време.

Проекти за биочипове: Дизайн и експлоатация

Терминът „биочип“ придоби няколко значения. Всяко устройство или компонент, въвеждащи биологични материали, извлечени от биологични видове или синтезирани в лаборатория върху твърд субстрат, могат да се считат за биочип в най-общия смисъл. На практика обаче, както миниатюризациите, обикновено във формат на микрочипове, така и възможността за евтино масово производство, често участват в биочипове. Електронният чип за нос или изкуствен нос, електронният език, чипът за полимеразна верижна реакция, микрочипът на ДНК микрочипове (генен чип), протеиновият чип и биохимичната лаборатория върху чип са някои примери, които отговарят на тези квалификации. В генният чип и протеиновият чип са направени най-динамичните биочип изследвания.

Много внимание е отделено по-специално на биочипове, интегриращи конвенционална биотехнология с полупроводникова обработка, микро-електро-механични системи (MEMS), оптоелектроника и цифрово получаване и обработка на сигнали и изображения.

Обикновено се предполага, че хиляди гени и техните производни (т.е. РНК и протеини) в даден жив организъм действат по сложен и координиран начин, който създава мистерията на живота. Традиционните методи в молекулярната биология обаче обикновено работят на база „един ген в един експеримент“, което предполага, че пропускателната способност е много ограничена и е трудно да се постигне „цялостната картина“ на генната функция. Нова технология, наречена ДНК микрочип, спечели значително внимание сред биолозите през последните десетилетия. Тази технология има за цел да измери целия геном на един чип, така че междувременно изследователите да могат да получат по-добра картина на взаимодействията между хиляди гени.

Генен или ДНК чип съответства на двуизмерен масив от малки реакционни клетки (100 х 100 μм всяка), произведени с помощта на високоскоростна роботика върху твърд субстрат. Силициева пластина, тънък лист стъкло, пластмаса или найлонова мембрана може да бъде твърдият субстрат. Трилиони полимерни молекули от определена последователност от едноверижни ДНК фрагменти се имобилизират във всяка реакционна клетка (Фигура 5).

Фигура 5 – Схематична илюстрация на генен чип

ДНК фрагментите могат да бъдат или къси (около 20 до 25) базови последователности (A, T, G и C) или по-дълги комплементарни ДНК вериги (кДНК). Във всяка клетка уникалната последователност от бази (напр. CTATGC …) е предварително избрана или конфигурирана в зависимост от очакваната употреба. Сондите се наричат още разпознати последователности на едноверижни ДНК фрагменти, имобилизирани върху субстрата. Двуверижни ДНК фрагменти се образуват, когато неизвестни фрагменти от едноверижни ДНК проби, наречени мишена, реагират (или хибридизират) със сондите на чипа, където мишената и сондата се допълват според правилото за комплементарност (А е сдвоена с T и G е сдвоена с C). Целевите проби често са белязани, например с флуоресцентни съединения, багрила или радиоизотопни молекули, за да се улесни диагностиката или анализът на хибридизирания чип. Всеки е маркериран със собствен различим маркер, когато целите съдържат повече от един тип проба. Този тип ДНК микрочипове осигурява платформа, при която, въз основа на размера на масива, неизвестната цел или цели могат теоретично да бъдат дефинирани с много висока скорост и висока производителност чрез съпоставяне на компонентите, участващи в изследванията и развитието на технологията на биочип с десетки хиляди различни видове сонди чрез паралелна хибридизация и свързаните технически дисциплини са посочени на Фигура 6. По принцип биочип технологията е интердисциплинарна; важно е учените и инженерите от различни дисциплини да си сътрудничат синергично, за да прокарат тази нова технология от лабораторен интерес към практически устройства и системи.

Фигура 6 – Компонентите и свързаните с тях технически дисциплини, участващи в научноизследователската и развойна дейност на биочип технологията

ДНК микрочипове

По отношение на свойството на масивната ДНК последователност с известна идентичност, има два варианта на ДНК микрочип технологията:

Тип I: сонда кДНК (с дължина 500 ~ 5000 бази) се имобилизира с помощта на робот, поставен чрез зацапване върху твърда повърхност като стъкло и се излага или поотделно, или в смес на набор от цели. Известно е, че тази стратегия, „традиционно” наричана ДНК микрочип, е разработена в Станфордския университет.

Тип II: in situ (върху чип) или чрез конвенционален синтез, придружен от имобилизация на чипа, се синтезира масив от олигонуклеотидни (20 ~ 80-мерни олиго) или пептидни нуклеинови киселини (ПНК) сонди. Масивът е изложен на хибридизирана, маркирана ДНК на пробата и определя идентичността /изобилието от комплементарни последователности. Този метод, „исторически” наречен ДНК чипове, е създаден в Affymetrix INC., която продава своите фотолитографски произведени продукти под търговската марка Genechip. Чиповете на основата на олигонуклеотид са разработени от няколко компании, използващи алтернативни in-situ технологии за синтез или отлагане.

В зависимост от вида на имобилизираната молекула, биочипът се прави предимно в два формата. Масивите кДНК се означават също като биочипове, съдържащи PCR продукти от 200 базови двойки до 2KB размер, имобилизирани по дължината на молекулата чрез ковалентно кръстосано свързване към повърхността на масива. Алтернативно, олигонуклеотидните сонди могат или да бъдат синтезирани in situ върху масива, или ковалентни връзки към крайните части могат да бъдат фиксирани от предварително синтезирани олигосистеми. Genechip технологията включва няколко различни части, като производство, подготовка на проби и хибридизация на целевата последователност, детектиране на резултати от хибридизацията, дизайн на олигонуклеотидната сонда и анализ на изображението на хибридизацията и различни приложения, както се вижда на Фигура 7.

Фигура 7 – Няколко важни аспекта, свързани с технологията на генетичен чип

Първо, според конкретна цел, много подходящи генни последователности ще бъдат избрани от базата данни на ДНК (единичен нуклеинов полиморфизъм за специфични гени, диференциална експресия за дадена група гени или идентификация на мутация). Чрез определяне на последователността и дължината на всяка сонда и нейното точно положение върху чипа, ще бъдат проектирани серия уникални олигонуклеотидни сонди въз основа на избраните последователности. С метода на зацапване или синтеза върху чипа може да се извърши синтез на ДНК микрочип. Обикновено целевите гени са необходими за усилване и маркиране на флуоресценцията. В повечето случаи ще е необходим избор на подходящи PCR праймери, оптимизиране на условията на амплификация и хибридизация. За резултатите от хибридизацията на генетичен чип има няколко различни стратегии за откриване. Традиционен подход е флуоресцентната детекция. За обработката на толкова голямо количество, получено от генетичен чип, е необходим анализ на данни, базиран на флуоресцентни изображения и конфигурация на базата данни. Използването на PCR продукти, съответстващи на гените като сондови молекули, е често срещана платформа за получаване на микрочипове. Биологичните източници на кДНК библиотеки предлагат ефективен шаблон за PCR амплификация на сондите. Следователно тази платформа се нарича кДНК масиви.

Използването на олигонуклеотидни сонди вместо PCR продукти има няколко предимства. Първо, те обикновено са с подобна дължина и могат да бъдат създадени по такъв начин, че да имат сходни свойства на хибридизация. Второ, те могат да бъдат конфигурирани да хибридизират срещу специфичния генен регион; PCR продуктът също позволява кръстосана хибридизация между хомоложни гени, смущаващи членове на профилите на генната експресия на едно и също генно семейство. Освен това, необходимостта от досадно PCR усилване на молекулите на сондата се елиминира от олигонуклеотидни масиви и намалява риска от грешка поради обработка на клонинги и замърсяване по време на трансфера.

Микрофлуиден чип

През последните десетилетия микрофлуидната технология се развива бързо и осигурява множество приложения в науките за живота. Благодарение на отделните предимства, осигурени от миниатюризацията на системата, се появи революцията на микрофлуидиците, включително висока аналитична ефективност, повишена чувствителност, подобрена аналитична ефективност, бързо умножаване на паралелизацията, способност за управление и обработка на намалени обеми на реагенти и драстично намалени инструментални отпечатъци.

Микрофлуидите може едновременно да предлагат аналитична ефективност и висока производителност като технология за миниатюризация, без липсата на точност и автоматизация. Микрофлуидната технология е не само мощен инструмент за бърз скрининг и изследване на разработването на лекарства по време на процеса на прилагането им, но и за нейните миниатюризирани устройства за намаляване на разходите и консумацията на реагент.

През последните няколко години беше постигнат значителен напредък в разработването на компоненти и системи за скрининг на лекарства, базирани на микрофлуиди. За скрининг на лекарства се използват различни видове микрофлуидни чипове за подобряване на ефективността на скрининга и намаляване на разходите. Няколко често срещани типа чип технологии са описани в следващите параграфи (Фигура 8).

Фигура 8 – Приложение на микрофлуиден чип при скрининг на лекарства. (А) Илюстрация на анализ на комбинация от лекарства в системата от капчици, при която клетките в капчиците са били последователно стимулирани от две лекарства; (Б) Човешки рак на гърдата върху чип, вляво е диаграма на дуктален карцином in situ (DCIS), вграден в млечния канал, а вдясно е възпроизвеждане на микроустройство на микроархитектурата на DCIS и околните тъканни слоеве; (В) Различни концентрации на сенсибилизатор и лекарство се генерират последователно в дифузионните градиентни смесители последователно към перфузионните клетки, култивирани в микрокамери надолу по веригата; (Г) Проектиране и дизайн на чип на мозъчен рак, който съдържа схема на слоевете, протокол за време за подготовка на чипове, канална система с форма на коледно дърво и финално хидрогелно устройство с микроканали и микроямки.

Капкови микрофлуиди – За да се извършват експерименти в непрекъснат или сегментиран поток, капковата микрофлуидна технология използва течни капчици, разделени от несмесваща се течност като нанолитър, за да отделят пиколитърните реакционни съдове. Такива методи показват значителни предимства, като намалено използване на пробата, подобрена скорост на реакция и повишена ефективност и възпроизводимост, обработка на невероятно малки обеми със стабилен контрол на състава.

Въз основа на последователният процес на капковата техника, капкови микрофлуидни методи могат да бъдат използвани за скрининг на лекарствени комбинации (Фигура 8А), за скрининг на различни комбинации за дозиране и продължителност на приложение и за усъвършенстване на оптималния минимално консумиран режим на дозиране, който е важен за комбинирани болестни ситуации.

Орган-върху-чип – Подробното регулиране на микромащабната структура и поток позволява прецизното моделиране на микромащабните структури на органната тъкан. Органите-върху-чипове са биомиметични системи, които са микроинженерни и представляват основни функционални единици на живите човешки органи. Досега функциите на множество органи и тъкани, като черния дроб, бъбреците, белите дробове и червата, са възпроизведени като in vitro модели. Тези системи могат да се използват като in vitro модели, които позволяват да се симулират и фармакологично модулират сложни биологични процеси.

Органният чип симулира основните процеси на човешкото тяло, като използва редица клетки, за да създаде биомиметичен чип със сходни физиологични функции върху уникалната структура на чипа, който е сравним с действителната външна среда на заболяването в сравнение с типичния модел на едноклетъчна култура.

За да се възпроизведе сложната микроархитектура на раковата тъкан, е създадена микросистема, която позволява съвместно култивиране на туморни сфероиди на гърдата със съседни клетки в компартментализирана 3D микрофлуидна система, за да помогне за създаването на платформа за скрининг на лекарства срещу рак на гърдата (Фигура 8Б). За изследване на миграцията на ракови клетки и скрининг на противоракови лекарства може да се използва ко-култура с множество тъкани с микрофлуидна система.

Други микрофлуидни чипове за скрининг на лекарства – Има няколко други технологии, прилагани към микрофлуидни чипове за скрининг на лекарства, в допълнение към гореспоменатите съществуващи методи, които разширяват идеите на изследователите. Най-значимият и интегриран аспект на разработването на лекарства в повечето фармацевтични и няколко биотехнологични индустрии по света е изключителната HTDS система.

С използването на микрофлуидни масивни системи с отворен достъп и клетъчни микрочипове могат да се проверят различни концентрации и комбинации от лекарства. Различни конфигурации и масиви от малки културни камери могат да бъдат генерирани от различен дизайн на чипа. Генераторите на градиентна концентрация могат да осигурят ефективен градиент на концентрация на течност и тези устройства са внедрени и комбинирани с микрофлуидни технологии от няколко изследователски групи за оптимизиране на HTDS системи. Дифузионните микрофлуидни смесители на Фигура 8В също могат да разпознаят напълно автоматичен HTDS.

Платформите за клетъчни масиви са изградени с използване на полидиметилсилоксанов (PDMS) материал в определени микрофлуидни канали за скрининг на лекарства. Структурата на чиповете обаче е трудна и има някои недостатъци, като скъпи силициеви форми и биомолекулярна абсорбция. Като естествен извънклетъчен матрикс (ECM), поли (етилен гликол) диакрилат (PEGDA) хидрогел има идентични механични свойства и водно съдържание. Микрофлуидните хидрогелове PEGDA са често използвани за капсулиране на клетки и са пропускливи за съединения като вода, биомолекули и химикали. За да се изследва ефекта на комбинаторно лечение на две лекарства, бяха използвани микрофлуидни устройства, изработени от тези видове материали и комбинирани с 3D технологии за култура на мозъчни клетки (Фигура 8Г).

Привлекателността на микрофлуидния чип е, че за да изпълнява различни функции, той може да има множество проектирани структури и може да се комбинира, за да разшири обхвата си на приложение с различни устройства и оборудване за тестване. Необходими са обаче значителни усилия за проектиране, производство и оптимизация. Всеки модел има свои уникални характеристики. Използва се не само за скрининг на лекарства, но и за тестване на лекарства.

Протеинов микрочип

При изследването на протеините, протеиновите микрочипове са полезни инструменти по безпристрастен, високопроизводителен начин, тъй като позволяват паралелно да се характеризират до хиляди индивидуално пречистени протеини. Приспособимостта на тази технология е позволила да се използва в широк спектър от приложения, включително изследване на молекулярни взаимодействия с протеоми, анализ на посттранслационни промени, откриване на нови лекарствени цели и оценка на взаимодействията патоген-гостоприемник. В допълнение, технологията вече се оказа ефективна при профилиране на специфичността на антителата, както и при идентифициране на нови биомаркери за автоимунни заболявания и в частност рак.

Протеините са сложни биомолекули с широк спектър от структури и функции и като такива изучаването им по начин с висока производителност е предизвикателство. Съществуват три основни типа протеинови микрочипове: функционална, аналитична и обратна фаза. Функционалните протеинови микрочипове се сглобяват по начин с висока проходимост с пречистени /синтезирани протеини, което позволява да се изследват стотици и дори хиляди различни протеини паралелно с техните биохимични свойства. За да се открият или измерват сложни биологични проби, аналитичните протеинови микрочипове използват афинитетни реагенти, имобилизирани върху масива. И накрая, сложни биологични проби, имобилизирани върху масива, се използват от протеинови микрочипове с обратна фаза, които използват афинитетни реагенти за идентификация.

Функционалните протеинови микрочипове са по-способни да идентифицират слаби взаимодействия, по-гъвкави са за протеини с ниско съдържание на изобилие и по-способни да анализират сурови проби като серум в сравнение с други методи, като масова спектрометрия. По отношение на разликите в покритието на протеоми, дължините на протеините и производствените канали, до момента са произведени няколко различни типа функционални протеинови микрочипове.

Развитие на Функционалния Протеинов Микрочип – Целият набор от протеини, които могат да бъдат експресирани от даден геном, се означава като протеом. Обикновено създаването на пречистен протеомен микрочип изисква сглобяването на цял геномен набор от отворени рамки за четене (ORF), клонирани в експресионен вектор, кодирана протеинова експресия в клетките, високопроизводително индивидуално пречистване на протеини и протеинова имобилизация върху микрочип.

Приложение на дрождеви протеомни микрочипове – За профилиране на протеомни широкомолекулни взаимодействия, функционалните протеинови микрочипове, особено пречистени протеомни микрочипове, са полезни и позволяват подробен, обективен скрининг. Изследователите са използвали функционални протеинови микрочипове при фундаментални изследвания за изучаване на протеин-протеинови взаимодействия, протеин-липидни взаимодействия, протеин-ДНК взаимодействия, протеин-клетки /лизати, свързване на малки молекули, взаимодействия протеин-РНК и PTMs, като ацетилиране, SUMOилация, гликозилиране, убиквитилиране, фосфорилиране и метилиране (Фигура 9А-9Ж). Ние обобщаваме представителни проучвания в таблица I въз основа на приложенията за изследвания, показани на Фигура 9.

Фигура 9 – Приложение на функционален протеинов микрочип. Приложенията на функционални протеинови микрочипове за разпитване на свойствата на свързване с протеини включват A-протеин-протеинови взаимодействия; Б-протеин-липидни взаимодействия; В-протеин-клетъчни /лизатни взаимодействия; Г-свързване с малка молекула; Д-взаимодействия ензим-субстрат; Е-взаимодействия протеин-ДНК; Ж-протеин-РНК взаимодействия; З-Специфичност на антитела /Серумно профилиране. PTM пост-транслационна модификация.

Приложения на биочипове

Най-новите приложения на биочипове са включени в Таблица 1.
Биочип в храната Биочип, откриващ генетично модифицирани организми (gmo’s) в храната.
Биочип в диагностиката ДНК биочип, който революционизира начина, по който медицинската професия извършва тестове за кръв.
Биочип при епидемия от туберкулоза Биочип технологията се очаква да помогне в борбата с новия сорт устойчиви на лекарства щамове на болестта.
Биочип при рак Биосензор чип технологията осигурява бърз и лесен достъп до критична информация относно увреждане на ДНК от съединения, произвеждащи рак и подпомага ранно откриване на рак на дебелото черво.
Биочип в разработването на лекарства ДНК чипове, които откриват генетични разлики между хората, които реагират на лекарството и тези, които не го правят, започвайки от фаза II или в средния етап на клиничните изпитвания.

Тест: РО3 Начално ниво

Препратки

  • Adams DA, Brus L, Chidsey CED, et al. 2003. Charge transfer on the nanoscale: current status. J Phys Chem B, 107: 6668-97.
  • Ashley GW, Henise J, Reid R, et al. 2013. Hydrogel drug delivery system with predictable and tunable drug release and degradation rates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110: 2318–2323.
  • Bard AJ, Faulkner LR. 2001. Electrochemical Methods. New York: John W Willey & Sons.
  • Benson DE, Conrad DW, de Lorimier RM, et al. 2001. Design of bioelectronic interfaces by exploiting hinge-bending motions in proteins. Science, 293:1641–4.
  • Boon EM, Ceres DM, Drummond TG, et al. 2000. Mutation detection by electrocatalysis at DNA-modified electrodes. Nature Biotech, 18:1096–100.
  • Boon EM, Livingston AL, Chmiel NH, et al. 2003. DNA-mediated charge transport for DNA repair. Proc Natl Acad Sci U S A, 100:12543–7.
  • Boon EM, Salas JE, Barton JK. 2002. An electrical probe of protein-DNA interactions on DNA-modified surfaces. Nat Biotechnol, 20:282-6.
  • Brazill SA, Kim PH, Kuhr WG. 2001. Capillary gel electrophoresis with sinusoidal voltammetric detection: A strategy to allow four-“color” DNA sequencing. Anal Chem, 73:4882–90.
  • Burgstaller P, Girod A, Blind M. 2002. Aptamers as tools for target prioritization and lead identification. Drug Discov Today, 7:1221–8.
  • Choi Y, Hyun E, Seo J, et al. 2015. A microengineered pathophysiological model of early-stage breast cancer. Lab Chip, 15: 3350–3357.
  • Cooper MA, Dultsev FN, Minson T, et al. 2001. Direct and sensitive detection of a human virus by rupture event scanning. Nature Biotechnol, 19:833–7.
  • Dai Z, Yan F, Yu H, et al. 2004. Novel amperometric immunosensor for rapid separation-free immunoassay of carcinoembryonic antigen. J Immuno Methods, 287:13–20.
  • Das, H.K. 2005. “Functional Gernomics using Microarrays Technology.” Text book of Biotechnology, pp .1276-1288, Wiley Dreamtech Publisher.
    Drummond TG, Hill MG, Barton JK. 2003. Electrochemical DNA sensors. Nat Biotechnol, 21:1192–9.
  • Fan C, Plaxco KW, Heeger AJ. 2003. Electrochemical interrogation of conformational changes as a reagentless method for the sequence-specific detection of picomolar DNA. Proc Natl Acad Sci U S A, 100:9134–7.
  • Fan C, Plaxco KW, Heeger AJ. 2005. Biosensors based on binding-modulated donor-acceptor distances. Trends Biotechnol, 23:186–92.
  • Fan Y, Nguyen DT, Akay Y, et al. 2016. Engineering a brain cancer chip for high-throughput drug screening. Sci. Rep., 6: 25062.
  • Fritz J, Cooper EB, Gaudet S, et al. 2002. Electronic detection of DNA by its intrinsic molecular charge. Proc Natl Acad Sci U S A, 99:14142–6.
  • Gao Z, Binyamin G, Kim H-H, et al. 2002. Electrodeposition of redox polymers and co-electrodeposition of enzymes by coordinative crosslinking. Angew Chem Int Ed, 41:810–13.
  • Gaylord BS, Heeger AJ, Bazan GC. 2002. DNA detection using watersoluble conjugated polymers and peptide nucleic acid probes. Proc Nat Acad Sci U S A, 99:10954.
  • Griffiths AD, Tawfik DS. 2000. Man-made enzymes – from design to in vitro compartmentalisation. Curr Opin Biotech, 11:338–53.
  • Heeger AJ. 2000. Nobel Lecture: Semiconducting and Metallic polymers: The fourth generation of polymeric materials [online]. URL: http:// wwwnobelse.
  • Hook F, Ray A, Norden B, et al. 2001. Characterization of PNA and DNA immobilization and subsequent hybridization with DNA using acoustic- shear-wave attenuation measurements. Langmuir, 17:8305–12.
  • Hsiung LC, Chiang CL, Wang CH, et al. 2011. Dielectrophoresis-based cellular microarray chip for anticancer drug screening in perfusion microenvironments. Lab Chip, 11: 2333–2342.
  • Li Z, Su W, Zhu Y, et al. 2017. Drug absorption related nephrotoxicity assessment on an intestine-kidney chip. Biomicrofluidics, 11: 034114.
    Lin D, Li P, Lin J, et al. 2017. Orthogonal screening of anticancer drugs using an open-access microfluidic tissue array system. Anal. Chem., 89: 11976–11984.
  • Liu J, Zhang Y, Jiang M, et al. 2017. Electrochemical microfluidic chip based on molecular imprinting technique applied for therapeutic drug monitoring. Biosens. Bioelectron., 91: 714–720.
  • Moore CD, Ajala O.Z, Zhu H. 2016. Applications in high-content functional protein microarrays. Curr. Opin. Chem. Biol., 30: 21–27.
  • Palecek E, Jelen F. 2002. Electrochemistry of nucleic acids and development of DNA sensors. Crit Rev Anal Chem, 32:261–70.
  • Palecek E. 2004. Surface-attached molecular beacons light the way for DNA sequencing. Trends Biotechnol, 22:55–8.
  • Park SJ, Taton TA and Mirkin CA. 2002. Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle probes. Science, 295:1503–6.
  • Patolsky F, Lichtenstein A, Willner I. 2001. Detection of single-base DNA mutations by enzyme-amplified electronic transduction. Nature Biotech, 19:253–7.
  • Patolsky F, Weizmann Y, Wilner I. 2004. Long-range electrical contacting of redox enzymes by SWCNT connectors. Angew Chem Int Ed, 43:2113–17.
  • S. Mi, Z. Du, Y. Xu, et al. 2016. Microfluidic co-culture system for cancer migratory analysis and anti-metastatic drugs screening. Sci. Rep., 6: 35544.
  • Schuster GB. 2000. Long-range charge transfer in DNA: transient structural distortions control the distance dependence. Acc Chem Res, 33:253-60. Sullivan CKO. 2002. Aptasensors–the future of biosensing? Anal Bioanal Chem, 372:44–8.
  • Stone HA, Stroock AD, Ajdari A. 2004. Engineering flows in small devices: microfluidics toward a lab-on-a-chip. Annu. Rev. Fluid Mech., 36: 381–411.
    Sugiura S, Hattori K, Kanamori T. 2010. Microfluidic serial dilution cell-based assay for analyzing drug dose response over a wide concentration range. Anal. Chem., 82: 8278–8282.
  • Taton TA, Mirkin CA, Letsinger RL. 2000. Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes. Science, 289:1757–60.
  • Thorp HH. 2003. Reagentless detection of DNA sequences on chemically modified electrodes. Trends Biotechnol, 21:522–4.
  • Umek RM, Lin SW, Vielmetter J, et al. 2001. Electronic detection of nucleic acids–A versatile platform for molecular diagnostics. J Mol Diag, 3:74–84.
  • Van Hove AH, Antonienko E, Burke K, et al. 2015. Temporally tunable, enzymatically responsive delivery of proangiogenic peptides from poly (ethylene glycol) hydrogels. Adv. Healthc. Mater., 4: 2002–2011.
  • Whitesides GM, Grzybowski B. 2002. Self-assembly at all scales. Science, 295:2418–21.
  • Willner I. 2002. Biomaterials for sensors, fuel cells, and circuitry. Science, 298:2407.
  • Wosnick JH, Swager TM. 2000. Molecular photonic and electronic circuitry for ultra-sensitive chemical sensors. Curr Opin Chem Biol, 4:715–20.
  • Xiao Y, Patolsky F, Katz E, et al. 2003. Plugging into enzymes: nanowiring of redox enzymes by a gold nanoparticle. Science, 299:1877–81.
  • Xu H, Wu H, Huang F, et al. 2005. Magnetically assisted DNA assays: High selectivity using conjugated polymers for amplified fluorescent transduction. Nucleic Acids Res, 33:e83.
  • Yu CJ, Wan YJ, Yowanto H, et al. 2001. Electronic detection of single-base mismatches in DNA with ferrocene-modified probes. J Am Chem Soc, 123:11155–61.
  • Yu X, Kim SN, Papadimitrakopoulos F, et al. 2005. Protein immunosen- sor using single-wall carbon nanotube forests with electrochemical detection of enzyme labels. Mol Biosyst, 1:70–8.
  • Adams DA, Brus L, Chidsey CED, et al. 2003. Charge transfer on the nanoscale: current status. J Phys Chem B, 107: 6668-97.
  • Ashley GW, Henise J, Reid R, et al. 2013. Hydrogel drug delivery system with predictable and tunable drug release and degradation rates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110: 2318–2323.
  • Bard AJ, Faulkner LR. 2001. Electrochemical Methods. New York: John W Willey & Sons.
  • Benson DE, Conrad DW, de Lorimier RM, et al. 2001. Design of bioelectronic interfaces by exploiting hinge-bending motions in proteins. Science, 293:1641–4.
  • Boon EM, Ceres DM, Drummond TG, et al. 2000. Mutation detection by electrocatalysis at DNA-modified electrodes. Nature Biotech, 18:1096–100.
  • Boon EM, Livingston AL, Chmiel NH, et al. 2003. DNA-mediated charge transport for DNA repair. Proc Natl Acad Sci U S A, 100:12543–7.
  • Boon EM, Salas JE, Barton JK. 2002. An electrical probe of protein-DNA interactions on DNA-modified surfaces. Nat Biotechnol, 20:282-6.
  • Brazill SA, Kim PH, Kuhr WG. 2001. Capillary gel electrophoresis with sinusoidal voltammetric detection: A strategy to allow four-“color” DNA sequencing. Anal Chem, 73:4882–90.
  • Burgstaller P, Girod A, Blind M. 2002. Aptamers as tools for target prioritization and lead identification. Drug Discov Today, 7:1221–8.
  • Choi Y, Hyun E, Seo J, et al. 2015. A microengineered pathophysiological model of early-stage breast cancer. Lab Chip, 15: 3350–3357.
  • Cooper MA, Dultsev FN, Minson T, et al. 2001. Direct and sensitive detection of a human virus by rupture event scanning. Nature Biotechnol, 19:833–7.
  • Dai Z, Yan F, Yu H, et al. 2004. Novel amperometric immunosensor for rapid separation-free immunoassay of carcinoembryonic antigen. J Immuno Methods, 287:13–20.
  • Das, H.K. 2005. “Functional Gernomics using Microarrays Technology.” Text book of Biotechnology, pp .1276-1288, Wiley Dreamtech Publisher.
    Drummond TG, Hill MG, Barton JK. 2003. Electrochemical DNA sensors. Nat Biotechnol, 21:1192–9.
  • Fan C, Plaxco KW, Heeger AJ. 2003. Electrochemical interrogation of conformational changes as a reagentless method for the sequence-specific detection of picomolar DNA. Proc Natl Acad Sci U S A, 100:9134–7.
  • Fan C, Plaxco KW, Heeger AJ. 2005. Biosensors based on binding-modulated donor-acceptor distances. Trends Biotechnol, 23:186–92.
  • Fan Y, Nguyen DT, Akay Y, et al. 2016. Engineering a brain cancer chip for high-throughput drug screening. Sci. Rep., 6: 25062.
  • Fritz J, Cooper EB, Gaudet S, et al. 2002. Electronic detection of DNA by its intrinsic molecular charge. Proc Natl Acad Sci U S A, 99:14142–6.
  • Gao Z, Binyamin G, Kim H-H, et al. 2002. Electrodeposition of redox polymers and co-electrodeposition of enzymes by coordinative crosslinking. Angew Chem Int Ed, 41:810–13.
  • Gaylord BS, Heeger AJ, Bazan GC. 2002. DNA detection using watersoluble conjugated polymers and peptide nucleic acid probes. Proc Nat Acad Sci U S A, 99:10954.
  • Griffiths AD, Tawfik DS. 2000. Man-made enzymes – from design to in vitro compartmentalisation. Curr Opin Biotech, 11:338–53.
  • Heeger AJ. 2000. Nobel Lecture: Semiconducting and Metallic polymers: The fourth generation of polymeric materials [online]. URL: http:// wwwnobelse.
  • Hook F, Ray A, Norden B, et al. 2001. Characterization of PNA and DNA immobilization and subsequent hybridization with DNA using acoustic- shear-wave attenuation measurements. Langmuir, 17:8305–12.
  • Hsiung LC, Chiang CL, Wang CH, et al. 2011. Dielectrophoresis-based cellular microarray chip for anticancer drug screening in perfusion microenvironments. Lab Chip, 11: 2333–2342.
  • Li Z, Su W, Zhu Y, et al. 2017. Drug absorption related nephrotoxicity assessment on an intestine-kidney chip. Biomicrofluidics, 11: 034114.
    Lin D, Li P, Lin J, et al. 2017. Orthogonal screening of anticancer drugs using an open-access microfluidic tissue array system. Anal. Chem., 89: 11976–11984.
  • Liu J, Zhang Y, Jiang M, et al. 2017. Electrochemical microfluidic chip based on molecular imprinting technique applied for therapeutic drug monitoring. Biosens. Bioelectron., 91: 714–720.
  • Moore CD, Ajala O.Z, Zhu H. 2016. Applications in high-content functional protein microarrays. Curr. Opin. Chem. Biol., 30: 21–27.
  • Palecek E, Jelen F. 2002. Electrochemistry of nucleic acids and development of DNA sensors. Crit Rev Anal Chem, 32:261–70.
  • Palecek E. 2004. Surface-attached molecular beacons light the way for DNA sequencing. Trends Biotechnol, 22:55–8.
  • Park SJ, Taton TA and Mirkin CA. 2002. Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle probes. Science, 295:1503–6.
  • Patolsky F, Lichtenstein A, Willner I. 2001. Detection of single-base DNA mutations by enzyme-amplified electronic transduction. Nature Biotech, 19:253–7.
  • Patolsky F, Weizmann Y, Wilner I. 2004. Long-range electrical contacting of redox enzymes by SWCNT connectors. Angew Chem Int Ed, 43:2113–17.
  • S. Mi, Z. Du, Y. Xu, et al. 2016. Microfluidic co-culture system for cancer migratory analysis and anti-metastatic drugs screening. Sci. Rep., 6: 35544.
  • Schuster GB. 2000. Long-range charge transfer in DNA: transient structural distortions control the distance dependence. Acc Chem Res, 33:253-60. Sullivan CKO. 2002. Aptasensors–the future of biosensing? Anal Bioanal Chem, 372:44–8.
  • Stone HA, Stroock AD, Ajdari A. 2004. Engineering flows in small devices: microfluidics toward a lab-on-a-chip. Annu. Rev. Fluid Mech., 36: 381–411.
    Sugiura S, Hattori K, Kanamori T. 2010. Microfluidic serial dilution cell-based assay for analyzing drug dose response over a wide concentration range. Anal. Chem., 82: 8278–8282.
  • Taton TA, Mirkin CA, Letsinger RL. 2000. Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes. Science, 289:1757–60.
  • Thorp HH. 2003. Reagentless detection of DNA sequences on chemically modified electrodes. Trends Biotechnol, 21:522–4.
  • Umek RM, Lin SW, Vielmetter J, et al. 2001. Electronic detection of nucleic acids–A versatile platform for molecular diagnostics. J Mol Diag, 3:74–84.
  • Van Hove AH, Antonienko E, Burke K, et al. 2015. Temporally tunable, enzymatically responsive delivery of proangiogenic peptides from poly (ethylene glycol) hydrogels. Adv. Healthc. Mater., 4: 2002–2011.
  • Whitesides GM, Grzybowski B. 2002. Self-assembly at all scales. Science, 295:2418–21.
  • Willner I. 2002. Biomaterials for sensors, fuel cells, and circuitry. Science, 298:2407.
  • Wosnick JH, Swager TM. 2000. Molecular photonic and electronic circuitry for ultra-sensitive chemical sensors. Curr Opin Chem Biol, 4:715–20.
  • Xiao Y, Patolsky F, Katz E, et al. 2003. Plugging into enzymes: nanowiring of redox enzymes by a gold nanoparticle. Science, 299:1877–81.
  • Xu H, Wu H, Huang F, et al. 2005. Magnetically assisted DNA assays: High selectivity using conjugated polymers for amplified fluorescent transduction. Nucleic Acids Res, 33:e83.
  • Yu CJ, Wan YJ, Yowanto H, et al. 2001. Electronic detection of single-base mismatches in DNA with ferrocene-modified probes. J Am Chem Soc, 123:11155–61.
  • Yu X, Kim SN, Papadimitrakopoulos F, et al. 2005. Protein immunosen- sor using single-wall carbon nanotube forests with electrochemical detection of enzyme labels. Mol Biosyst, 1:70–8.

Биосензори § Биочипове за устойчиво бъдеще

ADVANCE   L E V E L

Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном.

Съдържание

Биосензори и биочип технологии: Принос към бъдещия устойчив живот

Биосензори и биочипове: напредък в медицинската диагностика

Биосензори и биочипове, прилагани в храните и селското стопанство

Биосензори и биочипове за мониторинг на околната среда

Тест: РО3 Ниво за напреднали

Препратки

Биосензори и биочип технологии: Принос към бъдещия устойчив живот

Биосензори и биочипове: напредък в медицинската диагностика

Биосензори и биочипове, прилагани в храните и селското стопанство

Биосензори и биочипове за мониторинг на околната среда

Тест: РО3 Ниво за напреднали

Препратки

 

Биосензори и биочип технологии: Принос към бъдещия устойчив живот

Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном. В рамките на итеративните цикли на развитие „дизайн-изграждане-тест“ се е осъществила значителна част от иновациите в синтетичната биология. В областта на синтетичната биология напредъкът може да бъде свързан с иновации във всеки от процесите на „дизайн“, „изграждане“ и „тестване“. Например, имаше голям натиск за стандартизиране на елементите в рамките на синтетичната биология, като значително внимание се отделя на модулността и компонентите „включи и играй“. Тази модулация, заедно с ускорения напредък в системната биология, позволи на етапа „дизайн“ да стане по-малко отнемащ време и по-малко зависим от напредналите знания. През последните години разходите за ДНК секвениране и синтез също драстично намаляха, което позволи да се синтезират евтини големи конструкции. Във фазата „изграждане“ това улесни бързо подобрение, като помогна на изследователите да изследват по-голям процент от пространството на биологичния разтвор. И накрая, в рамките на „тестовата“ фаза на синтетичната биология, високопроизводителният скрининг също се превърна във фокусна точка. Увеличеният потенциал за „дизайн“ и „изграждане“ допринесе за повишено търсене на успех в оценката на изобилието от нови проекти. На свой ред това беше направено чрез включване на роботи и анализи с висока производителност в лабораторните условия, при които новите модели могат да бъдат оценени до ниво, което не е постижимо за човешки изследователи.

Биосензорите представляват новаторска развиваща се технология за високопроизводителен скрининг, която може да бъде лесно внедрена в практиката. Най-точно те са класифицирани като аналитичен инструмент, състоящ се от биологични компоненти, използвани за откриване и генериране на сигнал за наличието на целеви лиганд. Синтетичната биология е в челните редици на биосензорите, както като инструмент за високопроизводителен скрининг, така и като пряк резултат от развитието в областта на самата синтетична биология. В допълнение, поради несравнимата специфичност и чувствителност, която биологичните части предоставят по отношение на конвенционалните аналитични методи, биосензорите придобиха разширен интерес като алтернатива на традиционните анализи.

Дизайнът и изграждането на биосензори е мултидисциплинарно начинание и може да включва опит в области като протеиново инженерство, молекулярна биология, афинитетна химия, молекулярна динамика на нуклеинова киселина, материалознание и нанотехнологии. Биосензорите се свързват с целевия лиганд на най-простия им етап, претърпяват някакъв вид модификация и извеждат сигнал. Има голямо разнообразие от потенциални конфигурации във всички части на този процес. Таргетните лиганди варират от единични атоми като калций до цели протеини като тромбин през цялото време. Различни процеси като ензимна активност, флуоресценция, генериране на електрически ток и транскрипционна активност представляват изходни сигнали. Механизмите, които превръщат разпознаването на лиганди във функционални сигнали, са също толкова разнообразни.

В областта на анализа биосензорите представляват значителна стъпка напред. За да се отдалечи анализа от чисто физически или химически базирани рамки, започна интеграцията на биологичните компоненти в сензорната диагностика. Това позволи на аналитичните функции, които не са добре адаптирани към конвенционалните методи, да провеждат голямо разнообразие и специфичност на биологичните компоненти. Теоретичните и демонстрирани биосензорни приложения обхващат значителен кръг от човешкото общество и дейност. Приложенията за биосензори са групирани в три широки категории, в зависимост от скалата им за измерване.

  • Групова диагностика: екологични, селскостопански и промишлени приложения
  • Диагностика на точка на употреба: Медицински приложения и приложения за сигурност
  • Едноклетъчна диагностика: Метаболитно инженерство и приложения за синтетична биология

Биосензори и биочипове: напредък в медицинската диагностика

Биосензорите се състоят от биокатализатор, който може да разпознае биологичен елемент и преобразувател, който може да превърне биокатализатора и комбинацията от биологични елементи в измерим параметър.

Биокатализаторът може да бъде биомолекула като ензими, ДНК, РНК, метаболити, клетки, олигонуклеотиди и др., както и електрохимични, калориметрични, оптични, акустични, пиезоелектрични преобразуватели и др. Биосензорите, използващи имобилизирани клетки, ензими и нуклеинови киселини, навлязоха в полето на диагностиката на заболявания през последните години. Като инженерни биосензори за диагностика на заболявания са приложени и нанобиосензори, използващи ултра малки размери и уникални свойства. Използването на биосензори може бързо да определи здравословното състояние, началото и прогресията на заболяването и с помощта на мултидисциплинарна комбинация от химия, медицинска наука и нанотехнологии може да помогне за подготовката на лечение. Устройствата са рентабилни, високо чуствителни, бързи, лесни за употреба и могат да бъдат произведени масово за човешка употреба. Най-развитите биосензори са за диагностика на три основни заболявания, като диабет, сърдечно-съдови заболявания и рак.

Такива биосензори, измислени от Cammann, са аналитични инструменти, които трансформират електрически сигнал в биологичен отговор. Биосензорите обикновено могат да бъдат много прецизни и трябва да бъдат рециклируеми и независими от физическите ограничения като рН, температура. Практическият подход при проектирането на биосензор изисква производство, имобилизация, трансдукционни устройства, които предлагат мултидисциплинарно изследователско инженерство както в химията, така и в биологията.

Въз основа на техният работен механизъм, диагностичните биосензори са разделени на четири големи групи:

  1. Биокаталитични биосензори на ензимна основа.
  2. Биоафинитетна група, т.е. наличие на антитяло, антиген и нуклеинова киселина.
  3. Микроорганизми, т.е. биосензори, съдържащи микроорганизми.
  4. Наносензори, т.е. активни сензори от наночастици, които обикновено повишават чувствителността и специфичността за ранно откриване на заболяване.

Тези различни видове биосензори помагат да се идентифицират със значителна специфичност нивата на хормоните, лекарствата, токсините, замърсителите, тежките метали, пестицидите и т.н.

Биосензорите са инструменти, които обикновено оценяват нивата на биологични маркери или всяка химическа реакция чрез създаване на сигнали, които са свързани предимно с концентрацията на аналита в химическата реакция. Обикновено такива биосензори помагат за наблюдение на болести, откриване на лекарства, откриване на замърсители, откриване на болести, причинени от бактерии и маркери, които обикновено показват болестни състояния, като телесни течности (слюнка, кръв, урина, пот и др.). Типичен биосензор е показан на Фигура 1.

Фигура 1 – Схематично изображение на биосензор

Типичен биосензор се състои от:

  1. Аналит: Вещество от интерес, като глюкоза за диабет, което трябва да се установи.
  2. Биорецептор: Биорецептор за ензими може да бъде молекула, която разпознава аналита.
  3. Преобразувател: Обикновено, събитие за биоразпознаване се преобразува в детектируем сигнал, известен като сигнализация.
  4. Електроника: В дисплейна форма, като обикновено обработва трансдуцирания сигнал.
  5. Дисплей: Обикновено дисплеят с течни кристали води до удобен за потребителя начин в комбинация с хардуер и софтуер за генериране на сигнал.

Има няколко приложения за биосензори, които са въведени в различни области, като медицинска наука, морски сектор, хранително-вкусовата промишленост и т.н., като тези биосензори често се програмират за подобрена чувствителност и линейност в сравнение с конвенционалните методи. Приложението на биосензори обаче нараства все повече в областта на медицинската наука.

Биосензори за глюкоза при диабетно лечение

Мониторингът на кръвната захар се превърна в ценен инструмент при лечението на диабет и дневните нива на кръвната захар обикновено се поддържат от консултации с клиницисти, които са разработили серия сензори за кръвна захар. Захарният диабет е най-голямото преобладаващо ендокринно разстройство на въглехидратния метаболизъм с по-голяма заболеваемост и смъртност в развиващите се страни. При пациенти с диабет са обичайни многобройни тестове за изследване и мониторинг на диабетните маркери. Ключовите критерии за диагностика на диабета са нивото на кръвната захар, което включва самоконтрол на нивата на глюкоза при пациенти с диабет. Проучванията показват, че микроваскуларните (нефропатия, невропатия и ретинопатия) и макросъдовите (коронарна артериална болест и инсулт) усложнения могат да бъдат подобрени чрез контролиране на нивото на кръвната захар в нормалните граници. Кръвната захар обикновено се наблюдава при здрави индивиди в диапазона от 4,9-6,9 mM и може да се увеличи при пациенти с диабет до 40 mM след прием на глюкоза. Въпреки че на пазара се предлагат различни видове глюкозни сензори, третото поколение глюкозни биосензори е показано на Фигура 2 като пример.

Фигура 2 – Трето поколение глюкозен биосензор

Откриване на сърдечно-съдови заболявания с помощта на биосензори

Броят на смъртните случаи, причинени в световен мащаб от сърдечно-съдови заболявания (ССЗ), е значителен и повече хора умират от ССЗ, отколкото от всяко друго заболяване. До 2015 г. около 17,7 милиона души са починали от ССЗ, което представлява общо 31 % от всички смъртни случаи в световен мащаб. 7,4 милиона от тях се дължат на коронарна болест на сърцето, а 6,7 милиона се дължат на инсулт. Хората с ССЗ се нуждаят от по-ранно откриване и лечение, за да се ограничат негативните последици чрез прилагане на подходящи лекарства и терапии. Настоящата стратегия за откриване на ССЗ разчита на традиционния метод, който обикновено се основава на тестване, което може да отнеме много часове или дори дни. СЗО определя тези диагностични критерии, при които пациентите трябва да следват поне едно от условията, като промени в диагностичната електрокардиограма (ЕКГ), повишаване на биохимичните маркери в кръвните им проби и характерна болка в гърдите. ЕКГ е важен параметър за управление на терапията, но ЕКГ е лош диагностичен тест в случай на ССЗ, тъй като половината от пациентите със ССЗ имат нормална кардиограма, което затруднява диагностицирането на това медицинско състояние. Биосензорът ще помогне за бърза диагностика, като ще осигури отлична здравна грижа и ще намали времето за получаване на резултатите, което е огромен стрес за пациентите.

Биосензор за откриване на рак

Ракът е едно от най-смъртоносните заболявания и наскоро няколко изследователи са разработили биосензори за ранно откриване на рак. Повечето видове рак обикновено се диагностицират чрез ЯМР, ултразвук или биопсия, които разчитат на физическите свойства и наличието на тумора и или се използват инвазивни инструменти. Често вариации в генните последователности, т.е. мутациите, причиняват формирането на ракови образования и тяхната ранна диагностика преди болестта да прогресира е от изключително значение. Ранното откриване на рак, чрез биосензорна платформа за откриване на ранни стадии на рак, прави лечението по-бързо и по-успешно. Много експерти предполагат, че в случай на рак може да бъде възможно ранно откриване, тъй като аномалии в химичния и генетичен състав могат да бъдат идентифицирани много преди началото на болестта.

Неконтролиран и нередовен клетъчен растеж, за който обикновено се смята, че е рак, възниква поради натрупването на уникални генетични мутации и епигенетични дефекти. Доказано е, че туморните клетки са устойчиви на апоптоза и защитните механизми на организма срещу неконтролирания растеж. Ако прогресира и започне да се разпостранява до други телесни органи и системи, т.е. стадий на метастазиране, ракът става нелечим. Онкогенната стимулация и намаляването на функцията на туморните супресорни гени (TSGs) са двата най-важни механизма на туморогенеза. Поради мутация или репликация на нормален ген (прото-онкоген), се извършва активиране на онкогена, който играе ключови роли, включително контрол на клетъчния растеж, пролиферация и/или диференциация. Такава генетична мутация води до производство на излишно количество от дадения генен продукт, което от своя страна нарушава регулацията на клетъчното делене, клетъчния растеж и установяването на тумора.

Рецепторите на растежния фактор се считат за обещаващи биомаркери за много онкогени. При ~ 33 % от всички видове рак на гърдата рецепторът на човешкия епидермален растежен фактор Her-2 се засилва, а ракът със засилен Her-2 изглежда се развива и по-бързо. Следователно осведомеността за статуса на Her-2 е от съществено значение за завършване на възможния курс на лечение. Понастоящем за пациенти с този тип усилена генна експресия се използва типична адювантна терапия, рекомбинантно хуманизирано моноклонално антитяло, насочено към Her-2, като директен подход за лечение за рак на гърдата.

Туморно-супресорните гени (TSGs) са свързани с контрола на недостатъчния клетъчен растеж и пролиферация чрез минимизиране или предотвратяване на деленето на клетките. Ретинобластомният протеин (Rb), BRCA1/2 и р53 са три от най-добре проучените TSGs при рак. Rb е главен регулатор на клетъчното делене и Rb мутацията играе значителна роля при различни видове рак. Най-честите причини за инактивиране на Rb1 гена са точкови мутации и делеции. BRCA1 е ензим за възстановяване на ДНК, който е свързан с коригиращите функции на ново реплицираната ДНК и търсенето на всякакви мутации. Докато клетката се раздели, ензимите за възстановяване на ДНК обикновено работят за изрязване на грешки при репликацията. BRCA1 генните мутации са отговорни за 50% от наследствените ракови заболявания на гърдата и 80-90% за наследствените ракови заболявания на гърдата и яйчниците.

И накрая, основен регулатор на апоптоза или програмирана клетъчна смърт е протеинът р53. В мозъка, гърдата, дебелото черво, белите дробове, хепатоцелуларните карциноми и левкемията се откриват мутации на р53. Друго значително участие в загубата на р53 е, че това води до резистентност към химиотерапевтичните лекарства. Подобряването на биосензори, които могат да открият съществуването на мутации в р53, Rb и BRCA1, е силно оправдано и може да оцени възможността за поява на рак с подробна прогноза и режими на лечение.

Биочип в диагностиката

ДНК биочипът отваря нова генетично базирана област на диагностика. Начинът, по който медицинската професия извършва кръвни тестове, може да бъде революционизиран от новоразработените ДНК биочипове. Те са почти незабавни, вместо пациентът да трябва да чака няколко дни за резултати от лаборатория, и са с размер на кибритена кутия. И без да се жертва точността, той изисква по-малко кръв. В допълнение към спестяването на време, ДНК биочипът намалява и необходимостта от радиоактивно белязане. За техници и лаборанти, които боравят с проби и извършват тестове, това значително намалява разходите и негативните ефекти върху здравето. Той също така намалява разходите за изхвърляне, тъй като според строгите правила трябва да се борави с химически маркирана кръв.

Биосензорът трябва да бъде силно чувствителен и да може да прави разлика между например бактерии, вируси или други химични или биологични видове, за да бъде полезен за откриване на съединения в реална проба. Според Vo-Dinh, който поясни, че биочипът имитира сложните възможности за разпознаване на жива система, ДНК биочиповете го правят. ДНК биочипът е биосензор на базата на генна сонда, за разлика от други биосензори, базирани на ензимни и антитела. Биосензорите на базата на генни сонди осигуряват изключителна селективност и чувствителност, което ги прави ценни инструменти за диагностициране на генетични заболявания и инфекциозни видове.

Биочип за епидемия от туберкулоза

Разработването на нови биочип технологии от руски и американски учени представлява реална възможност за спиране на глобалното възраждане на туберкулозата. Създадена от Националната лаборатория Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ и Института по молекулярна биология на Руската академия на науките W. A. Englehardt (Москва), тази технология има за цел да помогне в борбата с настоящото разнообразие от резистентни на лекарства щамове на болестта.

Световната здравна организация съобщава, че туберкулозата убива повече млади хора и възрастни, включително от СПИН и малария, взети заедно, отколкото всяко друго инфекциозно заболяване. Най-голямото предизвикателство на продължаващата епидемия от туберкулоза е, че болестта може да бъде причинена от няколко различни бактериални вида и всеки от тях е устойчив на различни лекарствени препарата. Критичният елемент при контролирането на заболяването е да се определи щамът, който засяга даден пациент и да се определи най-добрият антибиотик за борба с този щам. За да прави разлика между многобройни туберкулозни щамове, Аргон възнамерява да използва биочип технологията в изследванията. Първоначално ще бъдат проведени тестове върху сегменти от генетичен материал, отстранени от туберкулозни бактерии. Биочиповете са предназначени за едновременно провеждане на редица биохимични реакции и е установено, че се представят задоволително при лабораторни тестове. Тъй като откриването на специфични щамове на туберкулоза отнема седмици или месеци, на пациентите често се предписват няколко антибиотика едновременно.

Биочип за рак

Технологията на биосензорния чип също осигурява бърз и лесен достъп до решаваща информация за увреждащото съединение на ДНК, причиняващо рак, придвижвайки изследователите една крачка по-близо в борбата срещу него. За разлика от традиционните методи за биодетекция, лазерно базиран метод с висока разделителна способност и ниска температура на флуоресценция предлага прецизен пръстов отпечатък на молекулата. Възможно е неговата лекота на използване да насърчи подмяната на инвазивните ендоскопски процедури и да помогне за ранно откриване на рак на дебелото черво.

Биосензори и биочипове, прилагани в храните и селското стопанство

Настоящото производство на храни е изправено пред огромни предизвикателства от нарастващото човешко население, поддържането на чисти ресурси и качеството на храните и опазването на околната среда и климата. Устойчивостта на храните е основно съвместно усилие, което води до развитието на технологии, финансирани както от правителства, така и от компании. Подкрепени са няколко опита за преодоляване на предизвикателствата и подобряване на двигателите в производството на храни. Чрез своите приложения биосензорите и биосензорните технологии се използват широко за решаване на основните предизвикателства на производството на храни и тяхната устойчивост. В резултат на това нараства нуждата от биосензорна технология в областта на устойчивостта на храните. Една такава технологична система, съчетаваща няколко технологии е микрофлуидиката. Наноматериалите, с тяхната биосензорна технология, са известни като най-иновативният инструмент, подпомагащи световното население при справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми. Необходимостта от технология за точково обслужване (POC) в тази област се фокусира върху аналитични инструменти, които са бързи, прости, прецизни, компактни и евтини.

За нашето съществуване и живот храната с нейната производствена индустрия е от съществено значение, както и нейната устойчивост има важна  роля за непрекъснатия човешки растеж на планетата. Настоящото производство на храни е изправено пред огромни трудности от увеличаването на човешкото население, поддържането на чисти ресурси и качество на храните, както и опазването на околната среда и климата. Някои от тези въпроси произтичат от самото производство на храни, а други произтичат от други индустрии, свързани с производството на храни. Оплакванията от храни например нанасят сериозни щети на доверието и престижа на различните марки, с прогноза от 15 милиона долара на инцидент през последните няколко години. 48 милиона случаи на заболявания са отговорни за 3000 смъртни случая годишно поради патогени, пренасяни с храна.

Безопасността на храните е до голяма степен съвместни усилия, произтичащи както от правителствата, така и от компаниите в технологичното развитие. За да поставят нови предизвикателства по въпросите за безопасността на храните, информационните технологии като „blockchain“ технологията могат да ускорят комуникацията между институциите, отговорни за качеството на храните, медиите и потребителите. Пет предизвикателства могат да бъдат обобщени като основни за устойчивостта на производството на храни: предизвикателство за производството на безопасни и сигурни храни; предизвикателство за качество на разнообразието и качество на храните; икономическо предизвикателство във водещата хранителна система, включително нейната опаковка и верига на доставки; екологично предизвикателство, включително преработката на хранителни отпадъци и инженерно предизвикателство при създаването и генерирането на нова храна.

По принцип биосензорът е аналитичен инструмент, използван за измерване на интересуваща ни молекула в дадена проба (мишена). Като цяло се използва уникален за мишената фактор за биоразпознаване (аптамер, антитяло, ензим и др.). Физиохимичен или биологичен сигнал се предизвиква от събитията на молекулно разпознаване между разпознаващия елемент и целевото съединение, което се трансформира в измеримо количество от преобразувателя. Сигналите се показват или в оптичен (колориметричен, флуоресцентен, хемилуминесцентен и плазмонен повърхностен резонанс), електрически (волтаметрия, импеданс и капацитет) или в друг избран формат (Фигура 3).

Фигура 3 – Класификация на биосензорите въз основа на преобразуватели и елементи за биоразпознаване, използвани при анализа на храните

Като една от основните цели на анализа на храните, безопасността на храните е основен здравен проблем както за животните, така и при човека. Напредъкът на аналитичната технология за безопасност на храните означава, че тя процъфтява в съответствие с нарастващия интерес и акцент върху проблемите на безопасността на доставките на храни. В анализа на безопасността на храните традиционните подходи са трудоемки, отнемат много време и се нуждаят от обучени техници. Прилагането на микрофлуиди в анализа на безопасността на храните дава нова наскока за това как ефективно и бързо да се открият хранителни токсини, алергени, патогени, опасни вещества, тежки метали и други замърсители. Характеристиките на микрофлуидиката, като например способността за миниатюризиране, компактните и редуцируеми количества проби и реактиви, го правят перфектна технология за развитие на устойчивостта на храните. Сложното приготвяне на хранителна матрица и трудните етапи на производство са настоящите предизвикателства при прилагането на микрофлуиди към определяне устойчивостта на храните. Тези предизвикателства могат да бъдат решени чрез използване на физични свойства в зависимост от конкретни целеви цели, проектиране на сложни микрофлуидни платформи за анализ на реални храни и включване в микрофлуидни системи на биомолекули като хранителни протеини и ДНК.

Наноматериали в биосензорната технология

Със своята биосензорна технология наноматериалите са най-обещаващият инструмент за справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми, свързани с населението по света. Частици, по-малки от 100 nm, са известни като наноматериали. Тези наноматериали са биокомпозитни полимери на базата на метал, метален оксид и въглерод и са установени различни видове наночастици, като магнитно желязо, алуминий, злато, сребро, мед, силициев диоксид, цинк, цинков оксид, цериев оксид и наночастици от титанов диоксид и единични/многостенни въглеродни нанотръби (CNTs). Нанотехнологиите и тяхното селскостопанско приложение бяха значително разширени в различни области. Тези области включват производство на храни, растителна защита, откриване на патогени и токсини, пречистване на води, пакетиране на храни, изхвърляне на отпадъчни води и възстановяване на околната среда. Подобряването на продуктивността и производителността на приложенията е приоритет на тези селскостопански области.

В областта на безопасността и защитата на храните са разработени биосензорни технологии за откриване на хранителни вещества, патогени и токсини, както е изброено по-долу.

Откриване на хранителни вещества

Мерките за защита на храните могат да бъдат разделени на две категории: загуба след прибиране на реколтата и биосигурност на храните. Биосигурността на храните означава замърсяване и разграждане на храните, което е разгледано в по-късните раздели чрез екологична, политическа, несправедлива икономическа печалба, война или отмъщение. Загубата след прибиране на реколтата, от друга страна, предполага хранителните вещества и ядивните условия в храните, които трябва да се поддържат между периода на прибиране на реколтата и момента на консумация. Тъй като времето се различава от минути до години, за поддържане и намаляване на загубите, технологиите, фокусирани върху намаляване на загубите след прибиране на реколтата, са важни.

За да се поддържа качеството на храната и да се избегнат загубите след прибиране на реколтата, могат да се използват нови технологии като биосензорите. Такива са разработени например за откриване и анализ на количества подсладители в храни, като могат да се използват за откриване както на естествени, така и на изкуствени подсладители. Подсладителите се използват широко в производството и преработката на храни, но наскоро бяха идентифицирани при хората като причиняващи здравословни проблеми. Разработен е многоканален биосензор за използване на електро-физиологично наблюдение от вкусовия епител за откриване и анализ както на естествени, така и на изкуствени подсладители. За откриване на дългосрочни сигнали съответно от захароза, глюкоза, цикламат и захарин, сигналите се изследват чрез пространствено-времеви техники. Биосензорът може да прави разлика между различни концентрации с дозозависими повишени реакции на вкусовия епител от различни подсладители. Той също така може да прави разлика между два естествени подсладителя: захароза и глюкоза, с два сигнала. За глюкозата обхватът на откриване е 50-150 mM, а за захарозата 5-15 mM.

Откриване на патогени

Поради намаленият си формат, биосензори, предназначени за откриване на патогени, като бактерии (Таблица 1) и гъби (Таблица 2), бяха разработени преди повече от две десетилетия – едно устройство за справяне с множество проблеми и откриване на сигнал от няколко панела. Мотивът на лиганда е решаващ елемент в дизайна на биосензора за откриване на патогени, тъй като определя чувствителността и ефективността на устройството. Целта е да се създаде бърза, специфична и чувствителна платформа за откриване в проби от храни за наличието или отсъствието на патогени. Открито е, че няма идеален лиганд, а различните лиганди имат различни предимства. Комбинацията от биорецептори за откриване на голямо разнообразие от микроорганизми в различни проби поставя настоящи предизвикателства при разработването на биосензори за патогени; нов дизайн на синтетичен лиганд като аптамери, малки молекули и пептиди, както и включването на различни лиганди в преносимо устройство за постигане на бърза, ефективна и евтина детекция.

Таблица 1. Условия за броя на бактериите, отглеждани в млякото

Температура °C 24 ч 48 ч 96 ч 168 ч
0 2100 2100 1850 1400
4 2500 3600 218,000 4,200,000
8 3100 12,000 1,480,000
10 11,600 540,000
15 180,000 28,000,000
30 1,400,000,000

Таблица 2. Изисквания за температура и активност на водата за растежа на гъбичките

Видове Минимум Оптимум Максикум Минимум Оптимум
Aspergillus ruber 5 24 38 0.72 0.93
A. amstelodami 10 30 42 0.70 0.94
A. flavus 12 35 45 0.80 0.99
A. fuminatus 12 40 52 0.83 0.99
A. niger 10 35 45 0.77 0.99
Penicillium martensii 5 24 32 0.90 0.99

Откриване на токсини

Основно направление в развитието на безопасността на храните са електрохимичните биосензори за бързо откриване и оценка на хранителни токсини. Разработени са множество платформи, които позволяват на персонализирани и индивидуализирани устройства да отговарят на определени екологични и организационни изисквания и да достигнат нивата на лимитите на детекция от nM до fM. Например, за да се насърчат уникалните профили на свързване, биорецепторните масиви се насочват към отделни електроди, функционализирани с различни биорецептори. В допълнение към електрохимичното биологично изследване, откриването на токсини и химикали в производството на храни е постигнато и с друг тип биосензори като оптично и пиезоелектрично измерване (Фигура 4). За да се установят токсините, флуоресцентни наночастици се свързват с храните, което може да се осъществи на повърхността и вътре в храните.

Фигура 4 – Преобладаващи замърсители на храните и целевите аналити в хранително-вкусовата промишленост [56] Екстракцията на токсини от сложни хранителни проби е една от основните пречки при създаването на напълно автоматизиран детектор на токсини. За да се оценят автоматично техните вредни нива от проби от храни и вода, се очаква потенциалните системи да извличат, обработват и измерват токсините. При идентифицирането, дискриминирането и количественото определяне на химичните токсини в хранителните матрици, се съчетават сложни стратегии за разделяне с повърхностно усилено раманово разсейване (SERS). Освен това, въпреки че обикновено са в по-ниски количества, химическите замърсители от преработката на храни могат да бъдат предизвикателство. По-ниската стабилност, селективност и чувствителност са друго предизвикателство при откриването на токсини в храните, където молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) могат да бъдат решение за осигуряване на стабилни и евтини алтернативи.

Тежките метали като Ag+, As3+, Cd2+, Hg2+, Pb2+ и Zn2+ са известни като химически замърсители, които образуват стабилни окислени състояния и пречат на метаболитните пътища, което води до здравословни проблеми. Биосензорите на базата на аптамер и ДНК могат да откриват тежки метали както на наноразмерни, така и на много мащабни нива, които са подходящи за скрининг и мониторинг на безопасността на храните. За да се открие арсенат в храната, биосензорът за откриване на тежки метали се основава на генетично модифицирани бактериални клетки и зелен, флуоресцентен усилвател на сигнал. С обхват на откриване от 5-140 μg/L арсен, неговото установяване продължава само един час и може да бъде интегрирано с оптична изходна мощност. Други технологии за биосензор, като аптамери, наночастици и графенови електроди, са успешно приложени за идентифициране и оценка на арсен, с потенциал да бъдат произведени като бързи, прости, лесни за използване и евтини устройства.

Нанотехнологиите са адаптирани към две отделни области на селскостопанските хранителни пестициди: като пестициден вектор за доставка на пестициди за управление на пестициди и като детектор за следи от пестициди. В първото направление наночастиците са в състояние бавно да насочват пестицидите към инсектите-вредители, което помага за предотвратяване на замърсяването на подземните води и горния слой на почвата, намаляване на нивата на пестициди и подобряване на ефективността. Във втората област, био- или биомиметично базирани нанотехнологии, като антитела, ензими, аптамери и MIP-подобни макромолекули, подобряват стабилността, селективността, чувствителността и скоростта на откриване на остатъчни концентрации от тях. Освен това, бактериалните, гъбните, водорасловите и клетките на бозайници са биосензори на клетъчна основа, използвани при откриването на пестициди и хербициди, помагайки за създаването на бързи, надеждни и рентабилни инструменти в реално време за процедури за обеззаразяване и превантивни мерки при инциденти.

Канцерогените, миризмите и морските замърсители са други токсини, които са значителни при производството на храни. Канцерогените са сложна група от токсини в следови концентрации, като пестициди, тежки метали, микотоксини и акриламид, при които трудността при идентифицирането е предизвикателство. Прилагането на аптамери, нанотехнологии и биочувствителни материали са оптимистични подходи с обещаваща бъдеща употреба. Чувствителни и разтворими молекули, ефективни при откриване на миризми, са свързващи миризмата протеини. В тази насока е разработен наносензор, съчетаващ локализиран повърхностен плазмонен резонанс (SPR) и малки свързващи аромати протеини от пчели, чйито обхватът е 10 nM – 1 mM. За наблюдение и запазване на стабилна среда за морските хранителни системи се налага откриване и на морски замърсители. Поради тяхната висока чувствителност, миниатюрни размери, безжична комуникация и малки мрежи, биосензорите могат да бъдат приложени към безопасността на морските храни, за да бъдат утвърдени като усъвършенствани инструменти за анализ и мониторинг.

Друг комплект за разработване на биосензори за безопасност на храните се фокусира върху откриването на генетично модифицирани организми (ГМО) в хранителните продукти. От 90-те години на миналият век ГМО във всички области на селскостопанските продукти се считат за биотехнологична революция. Понастоящем, повече от 45 % от соята в света, 40 % от царевицата и 50 % от памука са ГМ продукти и ГМ се използва и за фуражи за добитъка. Последните изследвания обаче показват, че ГМО продуктите могат да повлияят на човешките и животинските органи чрез стомашно-чревни проблеми, резистентност към антибиотици, алергенност, разновидност от разграждане на селскостопанските продукти и нежелан приток на гени към други видове. Биосензорите са предназначени за измерване на ГМО в храни и фуражи, използвайки изотермична амплификация на ДНК и бързо откриване на сигнали за идентифициране на гени за ГМ. Откриването на неидентифицирани ДНК гени, които могат да бъдат разрешени чрез високопроизводителна технология като комбинацията от биочувствителност и масиви, и разработването на бази данни за гени с ГМО са ключовите предизвикателства при детекцията на ГМО.

Биосензори и биочипове за мониторинг на околната среда

Поради силната връзка между замърсяването на околната среда и човешкото здраве/социално-икономическия прогрес, мониторингът на околната среда се превърна в един от приоритетите в европейски и световен мащаб. Биосензорите обикновено се използват като икономически ефективни, бързи, in situ и аналитични техники в реално време в тази област. Неотдавнашното развитие на биосензори с нови трансдукционни материали, получени от нанотехнологиите и за мултиплексно откриване на замърсители, включващи мултидисциплинарни експерти, обяснява необходимостта от компактни, бързи и интелигентни биосензорни устройства. Съществуват няколко скорошни разработки в мониторинга на замърсителите на въздуха, водата и почвата чрез биосензори при реални условия, които установяват наличието на пестициди, силно токсични компоненти и малки органични молекули, включително токсини и химикали, разрушаващи ендокринната система.

Биосензорите, използвани при мониторинга на околната среда, могат да бъдат категоризирани като оптични (включително оптични влакна и повърхностни плазмонни резонансни биосензори), електрохимични (включително амперометрични и импедансни биосензори) и пиезоелектрични (включително биосензори с кварцов кристал за микробаланс) въз основа на тяхната трансдукция или като имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори въз основа на техните разпознаващи елементи, съответно когато се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими. По-голямата част от биосензорите в мониторинга на околната среда са признати като имуносензори и ензимни биосензори, но развитието на аптасензорите напоследък се увеличава поради полезните характеристики на аптамерите, като лекота на модификация, термична стабилност, in vitro синтез и способността да се проектира тяхната структура, да се диференцират мишени с различни функционални групи и да се рехибридизира.

Проучването на дизайна на биосензори за мониторинг на органични замърсители, потенциално токсични елементи и патогени в околната среда ще доведе до устойчиво развитие на цивилизацията поради разрешаването на проблемите със замърсяването на околната среда, рефлектиращи върху човешкото здраве. Различните хроматографски техники (като газова хроматография и високоефективна течна хроматография, комбинирани с капилярна електрофореза или масспектрометрия) са конвенционални аналитични методи, използвани за мониторинг на замърсителите в околната среда, но изискват скъпи реактиви, отнемат време за предварителна обработка на пробите и скъпо оборудване. Следователно, за мониторинг на замърсителите, отговорни за неблагоприятното въздействие върху местообитанията и човешкото здраве, са отчаяно необходими по-чувствителни, рентабилни, бързи, лесни за работа и компактни биосензорни устройства за преодоляване на увеличаването на екологичните проблеми. В случай на случайно освобождаване на пестициди или остро отравяне, например, обичайните методи не са подходящи за измервания in situ, където се изисква бързо, миниатюризирано и преносимо оборудване като биосензори за мониторинг на околната среда. В тази връзка, ролята на нанотехнологиите в създаването на бързи и интелигентни биосензорни устройства е от решаващо значение за успеха на детекцията на замърсители на околната среда. Най-новите биосензори включват наноматериали и нови нанокомпозити в техните системи, които са полезни за подобряване на аналитичните показатели, като чувствителност и лимити на детекция.

За детекция и мониторинг на различни замърсители на околната среда, биосензори, включително имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори са документирани, като се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими като разпознаващи елементи.

Пестициди

Пестицидите са сред най-значимите екологични замърсители поради голямото им присъствие в околната среда. Органофосфорните инсектициди, например, обикновено се използват в селското стопанство и представляват група пестициди, които поради високата си токсичност са от огромно значение за околната среда. Следователно са необходими лесни, отзивчиви и миниатюрни методологии in situ, а именно биосензори, като аналитични стратегии за тяхното откриване и наблюдение, без да е необходимо цялостно предварително третиране на пробата.

Амперометрични ензимни (ацетилхолинестеразни) биосензори за еднократна употреба бяха предложени за детекция на фосфорорганични инсектициди, използвайки параоксон като шаблонен аналит, прилагащ самосглобен монослой от цистеамин върху златно-отпечатани електроди. Биосензорите за еднократна употреба показват линеен спектър до 40 ppb с лимит на детекция 2 ppb и чувствителност 113 μA mM cm-2. Използвайки самосглобяемия монослой, добрият аналитичен резултат може да се дължи на силно ориентираната ензимна имобилизация. Съобщават се възпроизводимост от 97 ± 5 % (n = 3) след тестване в проби от речна вода, добавени с 10 ppb параоксон, което показва ефективността на такива ензимни биосензори. Освен това, използването на електроди за ситопечат за еднократна употреба води до елиминирането на отнемащи време методи като реактивиране на имобилизирани ензими, използващи, например, разтвор на обидоксим и пралидоксим йодид (PAM) или използването на възобновяема ензимна мембрана, необходима за повторното прилагане на биосензора.

Наночастици на основата на иридиев оксид са използвани в еднократния ензимен биосензор с тирозиназа на базата на евтини ситопечатни въглеродни електроди за детекция на хлорпирифос в проби от речна вода. Съобщава се за линеен биосензорен отговор (0,01-0,1 μM) и е отчетен нисък лимит на детекция (3 nM), което може да се дължи на високата проводимост на наночастиците на иридиевия оксид и ефективността на тирозиназата. Тестовете за възпроизводимост бяха проведени в проби от речна вода с добавяне на 0.1 μM хлорпирифос и бяха получени възпроизводимост от 90 ± 9.6 % с остатъчно стандартно отклонение (RSD) по-малко от 10 % (n = 3), за да се демонстрира приложимостта на биосензора.

Ацетамиприд е детектиран чрез колориметрични аптасензори във водни проби и чрез импедиметрични аптасензори в реални проби от околната среда, като проби от прясна повърхностна почва. Линейният диапазон от 75 nM до 7.5 μM и лимит на детекция от 5 nM бяха наблюдавани с колориметричния аптасензор, докато по-широк линеен диапазон (50 fM до 10 μM) и по-нисък лимит на детекция (17 fM) бяха наблюдавани с импедиметричния аптасензор. В този биосензор са използвани златни наночастици, многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) и редуцирани наноленти от графен оксид като композит за поддържане на повърхността на електрода ацетамиприд аптамер, който може да бъде отговорен за по-висок електронен пренос и подобрени аналитични показатели на биосензора. Подобен лимит на детекция (33 fM) се наблюдава от аптасензор на базата на сребърни наночастици, закотвени върху легиран с азот нанокомпозитен графенов оксид, конструиран за откриване на ацетамиприд в проби от отпадъчни води.

Патогени

Наличието на патогени в околната среда и особено във водите може да представлява сериозен риск за човешкото здраве и наскоро бяха предложени някои биосензори за мониторинг на околната среда. Например, за детекция на метаболитно активна Legionella pneumophila в комплексни водни проби от околната среда са предложени бързи и прецизни оптични биосензори, базирани на повърхностен плазмонен резонанс. В едно от проучванията принципът на детекция се основава на идентифицирането на бактериална РНК чрез имобилизираната РНК детекторна сонда върху златната повърхност на биочипа. За усилване на сигнала бяха използвани квантови точки, конюгирани със стрептавидин и периодът на детекция беше приблизително три часа, което показва жизнеспособността на биосензорното устройство за успешно откриване на бактерии в диапазона 104-108 CFU mL-1.

Потенциално токсични елементи

Замърсяването с тежки метали и съответните йони на естествените водоеми може да представлява значителен риск за човешкото здраве, а компактните, евтини и бързи анализи на тежки метали са глобален приоритет. Като мишена за тестване на оптичен ДНК биосензор за детектиране на йони на тежки метали, които са изключително токсични и често срещани замърсители в околната среда, бяха използвани живачни йони (Hg2+). Биосензорът е компактен, евтин и бърз с in situ скрининг на Hg2+ в естествени води за по-малко от 10 минути. Принципът на детекция е фокусиран върху способността на определени метални йони да се свързват селективно с определени основи, за да образуват стабилни, метал-медиирани ДНК дуплекси; в случая на Hg2+, тиминовите бази могат да бъдат селективно координирани, за да образуват стабилни тимин-Hg2+-тиминови комплекси. В диапазонът на детекция между 0 и 1000 nM е достигнат лимит на детецкия от 1,2 nM, което е по-ниско от максималната стойност, поискана от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ (10 nM).

За детектиране на Pb2+ във водни проби (проби от изкуствена и естествена езерна вода), използващи ДНК ензими/карбоксилирани магнитни перли и ДНК аптамери, наскоро бяха предложени два оптични биосензора на флуоресцентна основа. Лимитите на детекция съответно 5 nM и 61 nM бяха наблюдавани от биосензори на базата на ДНК ензими и ДНК аптамери, със съответния линеен диапазон на детекция от 0 до 50 nM и 100 до 1000 nM. Използвано на уникално багрило (SYBER Green I), което беше вмъкнато с двуверижна ДНК, показващо силен интензитет на флуоресценция, както се вижда на Фигура 5. Освен това, липсата на интензивност на флуоресценция на биосензор се наблюдава само с багрилото (крива a). С ДНК ензим + Pb2+ (крива b) интензитетът на флуоресценция се увеличава с добавянето на багрилото + ДНК ензим + Pb2+, илюстрирайки чувствителността на биосензора към Pb2+.

Фигура 5 – Спектри на флуоресцентни емисии, получени с биосензора с багрилото (крива a), с ДНК ензим и Pb2+ (крива b) и с багрилото, ДНК ензим/карбоксилирани магнитни перли и Pb2+ (крива c); λex = 490 nm и λem = 530 nm (Препечатано от [89] с любезно разрешение от Springer)

Токсини

Вредни токсини като бреветоксини и микроцистини се създават чрез еутрофикация на водните системи чрез цъфтежа на водораслите на цианобактерии и по този начин са необходими точни и рентабилни системи за ранна детекция на такива токсини. За чувствителното детектиране на бреветоксин-2, морски невротоксин, е използван електрохимичен аптасензор, съставен от златни електроди, функционализирани със самосглобени монослоеве от цистеамин. Постига се лимит на детекция от 106 pg mL-1 и се наблюдава силна селективност за бреветоксин-2 спрямо други токсини от различни групи, като окадаинова киселина и микроцистин. Възможността на аптасензора за детекция на бреветоксин-2 в реални проби е постигната чрез анализ на миди и са докладвани силни възстановявания (102-110 %), което показва, че няма взаимодействие с отговора на аптасензора от структурата на черупчестите.

Разрушаващи ендокринната система химикали

Във водни проби чрез аптасензори на базата на флуоресцентния принцип с функционализирани аптамери (флуоресцеин амидит) и златни наночастици и на базата на оптично влакно е открит бисфенол А, който разрушава ендокринната система. Аптасензорът с оптични влакна е компактен и се оказава бърз, рентабилен, чувствителен и селективен за детекция на бисфенол А във водни проби, без да се изискват предварително концентриране или етапи на обработка. Освен това, аптасензорът може да се използва повторно за 90 s чрез регенериране с 0,5% разтвор на натриев додецил сулфат (SDS) и по-нататъшно измиване с фосфатно буфериран физиологичен разтвор (PBS) (рН 7,2) за над сто цикъла на анализ без забележима загуба на ефективност. Подобни лимити на детекция (0,1 и 0,45 ng mL-1) са наблюдавани и в двата оптични биосензора, където ДНК сонда, която е с консенсусна последователност на малка фракция от бисфенол А аптамер, е адсорбирана чрез електростатично взаимодействие на повърхността на наночастиците от злато и ковалентно имобилизирани на повърхността на влакното. Напоследък за детектиране на бисфенол А в проби от речна вода, използвайки нанотръби от молибденов карбид, беше предложен друг аптасензор на флуоресцентна основа. С такъв евтин и лесен за използване аптасензор е получен нисък лимит на детекция от 0,23 ng mL-1. Специфичността на аптасензора беше оценена чрез анализ на други молекули със структури, подобни на тази на бисфенол А (например, 4,4J-бифенол, бисфенол AF и 4,4J-сулфонилдифенол) и бяха идентифицирани само фонови сигнали, показващи висока специфичност за бисфенол А.

Електрохимичен имуносензор за еднократна употреба, базиран на полеви транзистор със SWCNT, наскоро беше използван в проби от морска вода за оценка на друг разрушаващ ендокринните вещества химикал – 4-нонилфенол. Имуносензорът има висока възпроизводимост (0,56 ± 0,08%), средна възпроизводимост от 97,8% до 104,6% и нисък лимит на детекция (5 μg L-1), която е по-ниска от препоръчителната максимална концентрация от 7 μg L-1 по съответните разпоредби. В проби от морска вода, като 4-нонилфенол, биосензорът може да се използва за детекция на опасни приоритетни вещества, дори при ниски концентрации и с лесна и евтина методология.

Други съединения на околната среда

Нови, бързи и точни аналитични подходи са необходими за ранната детекция и мониторинг на различни други опасни съединения, отделяни по време на цъфтежа на водорасли. Поради отличната чувствителност и специфичност на пробите за нуклеинови киселини към техните комплементарни свързващи партньори, са разработени биосензори за детекция на РНК на водорасли. За засилено селективно и чувствително детектиране на РНК от 13 вредни водорасли, наскоро беше докладван електрохимичен геносензор на базата на ситоотпечатан златен електрод; геносензорът може да различи РНК мишени от проби от околната среда (проби от морска вода с шипове), съдържащи 105 клетки, считани за лимит на детекция.

Тест: РО3 Ниво за напреднали

Препратки

  • Adami A; Mortari A; Morganti E; Lorenzelli L. 2018. Microfluidic Sample Preparation Methods for the Analysis of Milk Contaminants. Available online: https://www.hindawi.com/journals/js/2016/2385267/
  • Al-Mawali A. 2015. Non-communicable diseases: shining a light on cardiovascular dis- ease, Oman’s biggest killer. Oman Med. J., 30 (4): 227.
  • Arduini F, Guidone S, Amine A, Palleschi G, Moscone D. 2013. Acetylcholinesterase biosensor based on self-assembled monolayer-modified gold-screen printed electrodes for organophosphorus insecticide detection. Sens. Actuators B Chem., 179: 201–208.
  • Arduini F, Cinti S, Scognamiglio V, Moscone D. 2016. Nanomaterials in electrochemical biosensors for pesticide detection: advances and challenges in food analysis. Microchim. Acta, 183: 2063–2083.
  • Arugula MA, Simonian AL. 2016. Biosensors for Detection of Genetically Modified Organisms in Food and Feed. In Genetically Modified Organisms in Food, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 97–110, ISBN 978-0-12-802259-7.
  • Ayari-Jeridi H. et al. 2015. Mutation spectrum of RB1 gene in unilateral retinoblastoma cases from Tunisia and correlations with clinical features. PLoS One, 10 (1): e0116615.
  • Bahadır EB, Sezgintürk MK. 2017. Biosensor technologies for analyses of food contaminants. In Nanobiosensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 289–337, ISBN 978-0-12-804301-1.
  • Baldwin CJ. 2015. Introduction to the Principles. In The 10 Principles of Food Industry Sustainability, John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, NJ, USA, pp. 1–14, ISBN 978-1-118-44769-7.
  • Beck MB, Walker VR. 2013. On water security, sustainability, and the water-food-energy-climate nexus. Front. Environ. Sci. Eng., 7: 626–639.
    Belkhamssa N, da Costa JP, Justino CIL, Santos PSM, Cardoso S, Duarte AC, Rocha-Santos T, Ksibi M. 2016. Development of an electrochemical biosensor for alkylphenol detection. Talanta, 158: 30–34.
  • Bhalla N. et al. 2016. Introduction to biosensors. Essays Biochem., 60 (1): 1–8.
  • Bohunicky B, Mousa SA. 2011. Biosensors: the new wave in cancer diagnosis. Nanotechnol. Sci. Appl., 4: 1.
  • Bourne MC. 2014. Food Security: Postharvest Losses. In Encyclopedia of Agriculture and Food Systems, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 338–351, ISBN 978-0-08-093139-5.
  • Bruen D et al. 2017. Glucose sensing for diabetes monitoring: recent developments. Sensors, 1866.
  • Burris KP, Stewart CN. 2012. Fluorescent nanoparticles: Sensing pathogens and toxins in foods and crops. Trends Food Sci. Technol., 28: 143–152.
    Byrne B et al. 2009. Antibody-based sensors: principles, problems and potential for detection of pathogens and associated toxins. Sensors, 9 (6): 4407–4445.
  • Cash KJ, Clark HA. 2010. Nanosensors and nanomaterials for monitoring glucose in diabetes. Trends Mol. Med., 16 (12): 584–593.
  • Chao R, Mishra S, Si T, Zhao H. 2017. Engineering biological systems using automated biofoundries. Metab. Eng., 42: 98–108.
  • Chen Y, Li H, Gao T, Zhang T, Xu L, Wang B, Wang J, Pei R. 2018. Selection of DNA aptamers for the development of light-up biosensor to detect Pb(II). Sens. Actuators B Chem., 254: 214–221.
  • Eissa S, Siaj M, Zourob M. 2015. Aptamer-based competitive electrochemical biosensor for brevetoxin-2. Biosens. Bioelectron., 69: 148–154.
  • Elmore S. 2007. Apoptosis: a review of programmed cell death. Toxicol. Pathol., 35 (4): 495–516.
  • Enrico DL, Manera MG, Montagna G, Cimaglia F, Chesa M, Poltronieri P, Santino A, Rella R. 2013. PR based immunosensor for detection of Legionella pneumophila in water samples. Opt. Commun., 294: 420–426.
  • EPA. National Recommended Water Quality Criteria—Aquatic Life Criteria Table. Available online: http://www.epa.gov/wqc/national-recommended-water-quality-criteria-aquatic-life-criteria-table
  • Fei A, Liu Q, Huan J, Qian J, Dong X, Qiu B, Mao H, Wang K. 2015. Label-free impedimetric aptasensor for detection of femtomole level acetamiprid using gold nanoparticles decorated multiwalled carbon nanotube-reduced graphene oxide nanoribbon composites. Biosens. Bioelectron., 70: 122–129.
  • Foudeh AM, Trigui H, Mendis N, Faucher SP, Veres T, Tabrizian M. 2015. Rapid and specific SPRi detection of L. pneumophila in complex environmental water samples. Anal. Bioanal. Chem., 407: 5541–5545.
  • Garnet TF. 2013. Food sustainability: Problems, perspectives and solutions. Proc. Nutr. Soc., 72: 29–39.
  • Gheorghe I, Czobor I, Lazar V, Chifiriuc MC 2017. Present and perspectives in pesticides biosensors development and contribution of nanotechnology. In New Pesticides and Soil Sensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 337–372, ISBN 978-0-12-804299-1.
  • Ghorashi M. 2018. Technology’s Role in Eradicating Foodborne Illness. Available online: https://www.foodsafetymagazine.com/signature-series/technologye28099s-role-in-eradicating-foodborne-illness/
  • Giacinti C, Giordano A. 2006. RB and cell cycle progression. Oncogene, 25 (38): 5220–5227.
  • Guo L, Li Z, Chen H, et al. 2017. Colorimetric biosensor for the assay of paraoxon in environmental water samples based on the iodine-starch color reaction. Anal. Chim. Acta, 967: 59–63.
  • Hameed I, et al. 2015. Type 2 diabetes mellitus: from a metabolic disorder to an inflammatory condition. World J. Diabetes, 6 (4): 598.
    Hassani S, Momtaz S, Vakhshiteh F, et al. 2017. Biosensors and their applications in detection of organophosphorus pesticides in the environment. Arch. Toxicol., 91: 109–130.
  • He MQ, Wang K, Wang J, Yu YL, He RH. 2017. A sensitive aptasensor based on molybdenum carbide nanotubes and label-free aptamer for detection of bisphenol A. Anal. Bioanal. Chem., 409: 1797–1803.
  • Holford TR et al. 2012. Recent trends in antibody based sensors. Biosens. Bioelectron., 34 (1): 12–24.
  • Hughes RA, Ellington AD. 2017. Synthetic DNA synthesis and assembly: Putting the synthetic in synthetic biology. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 9.
  • Husu I, Rodio G, Touloupakis E, et al. 2013. Insights into photo-electrochemical sensing of herbicides driven by Chlamydomonas reinhardtii cells. Sens. Actuators B Chem., 185: 321–330.
  • Jain KK. 2004. “Applications of biochips: from diagnostics to personalized medicine.” Curr Opin Drug Discov Devel, 7(3): 285-289.
  • Jiang D, Du X, Liu Q, Zhou L, Dai L, Qian J, Wang K. 2015. Silver nanoparticles anchored on nitrogen-doped graphene as a novel electrochemical biosensing platform with enhanced sensitivity for aptamer-based pesticide assay. Analyst, 140: 6404–6411.
  • Justino CIL, Freitas AC, Duarte AC, Santos TAPR. 2015. Sensors and biosensors for monitoring marine contaminants. Trends Environ. Anal. Chem., 6–7: 21–30.
  • Justino CIL, Freitas AC, Pereira R, Duarte AC, Rocha-Santos TAP. 2015. Recent developments in recognition elements for chemical sensors and biosensors. Trends Anal. Chem., 68: 2–17.
  • Kazemi-Darsanaki R et al. 2012. Biosensors: functions and applications. J. Biol. Today’s World, 2 (1): 20–23.
  • Khot LR, Sankaran S, Maja JM, Ehsani R, Schuster EW. 2012. Applications of nanomaterials in agricultural production and crop protection: A review. Crop Prot., 35: 64–70.
  • Kost GJ, Tran NK., 2005. Point-of-care testing and cardiac biomarkers: the standard of care and vision for chest pain centers. Cardiol. Clin., 23 (4): 467–490.
  • Lang Q, Han L, Hou C, Wang F, Liu A. 2016. A sensitive acetylcholinesterase biosensor based on gold nanorods modified electrode for detection of organophosphate pesticide. Talanta, 156: 34–41.
  • Lee EY, Muller WJ. 2010. Oncogenes and tumor suppressor genes. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2 (10): a003236.
  • Li Z, Yu Y, Li Z, Wu T. 2015. A review of biosensing techniques for detection of trace carcinogen contamination in food products. Anal. Bioanal. Chem., 407: 2711–2726.
  • Liao W, Lu X. 2016. Determination of chemical hazards in foods using surface-enhanced Raman spectroscopy coupled with advanced separation techniques. Trends Food Sci. Technol., 54: 103–113.
  • Long F, Zhu A, Shi H, Wang H, Liu J. 2013. Rapid on-site/in-situ detection of heavy metal ions in environmental water using a structure-switching DNA optical biosensor. Sci. Rep., 3: 2308.
  • Loo C, et al. 2005. Immunotargetednanoshells for integrated cancer imaging and therapy. Nano Lett., 5 (4): 709–711.
  • Maduraiveeran G, Jin W. 2017. Nanomaterilas based electrochemical sensor and biosensor platforms for environmental applications. Trends Environ. Anal. Chem., 13: 10–23.
  • Marcellin E, Nielsen LK 2018. Advances in analytical tools for high throughput strain engineering. Curr. Opin. Biotechnol., 54: 33–40.
  • Martín-Timón I et al. 2014. Type 2 diabetes and cardiovascular disease: have all risk factors the same strength? World J. Diabetes, 5 (4): 444.
  • Mayorga-Martinez C, Pino F, Kurbanoglua S, et al. 2014. Iridium oxide nanoparticles induced dual catalytic/inhibition based detection of phenol and pesticide compounds. J. Mater. Chem. B, 2: 2233–2239.
  • McPartlin DA, Loftus JH, Crawley AS, et al. 2017. Biosensors for the monitoring of harmful algal blooms. Curr. Opin. Biotechnol., 45: 164–169.
  • Mehrotra P. 2016. Biosensors and their applications – a review. J. Oral. Biol. Craniofac Res., 6 (2): 153–159.
  • Meriç S, Çakır Ö, Turgut-Kara N, Arı S. 2014. Detection of genetically modified maize and soybean in feed samples. Genet. Mol. Res., 13: 1160–1168.
  • Moran KLM, Fitzgerald J, McPartlin DA, Loftus JH, O’Kennedy R. 2016. Biosensor-Based Technologies for the Detection of Pathogens and Toxins. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 93–120, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Mungroo NA, Neethirajan S. 2014. Biosensors for the Detection of Antibiotics in Poultry Industry—A Review. Biosensors, 4: 472–493.
  • Ngoepe M et al. 2013. Integration of biosensors and drug delivery technologies for early detection and chronic management of illness. Sensors, 13 (6): 7680–7713.
  • Omidfar K. et al. 2013. New analytical applications of gold nanoparticles as label in antibody based sensors. Biosens. Bioelectron., 43: 336–347.
    Orozco J, Villa E, Manes C, Medlin LK, Guillebault D. 2016. Electrochemical RNA genosensors for toxic algal species: Enhancing selectivity and sensitivity. Talanta, 161: 560–566.
  • Patra S, Roy E, Madhuri R, Sharma PK. 2017. A technique comes to life for security of life: The food contaminant sensors. In Nanobiosensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 713–772, ISBN 978-0-12-804301-1.
  • Pola-López LA, Camas-Anzueto JL, Martínez-Antonio A, et al. 2018. Novel arsenic biosensor “POLA” obtained by a genetically modified E. coli bioreporter cell. Sens. Actuators B Chem., 254: 1061–1068.
  • Ragavan KV, Selvakumar LS, Thakur MS. 2013. Functionalized aptamers as nano-bioprobes for ultrasensitive detection of bisphenol-A. Chem. Commun., 49: 5960–5962.
  • Rapini R, Marrazza G. 2016. Biosensor Potential in Pesticide Monitoring. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 3–31, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Ravikumar A, Panneerselvam P, Radhakrishnan K, et al. 2017. DNAzyme based amplified biosensor on ultrasensitive fluorescence detection of Pb(II) ions from aqueous system. J. Fluoresc., 27: 2101–2109.
  • Rocchitta G, et al. 2016. Enzyme biosensors for biomedical applications: strategies for safeguarding analytical performances in biological fluids. Sensors, 16 (6).
  • Rotariu L, Lagarde F, Jaffrezic-Renault N, Bala C. 2016. Electrochemical biosensors for fast detection of food contaminants—Trends and perspective. TrAC Trends Anal. Chem., 79: 80–87.
  • Saucedo NM, Mulchandan A. 2016. Sensing of Biological Contaminants. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 73–91, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Shi H, Zhao G, Liu M, Fan L, Cao T. 2013. Aptamer-based colorimetric sensing of acetamiprid in soil samples: Sensitivity, selectivity and mechanism. J. Hazard. Mater., 260: 754–761.
  • Singh M, del Valle M. 2015. Arsenic Biosensors. In Handbook of Arsenic Toxicology, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 575–588, ISBN 978-0-12-418688-0.
  • Sinha K, Ghosh J, Sil PC. 2017. New pesticides: A cutting-edge view of contributions from nanotechnology for the development of sustainable agricultural pest control. In New Pesticides and Soil Sensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 47–79, ISBN 978-0-12-804299-1.
  • Sodano V, Gorgitano MT, Quaglietta M, Verneau F. 2016. Regulating food nanotechnologies in the European Union: Open issues and political challenges. Trends Food Sci. Technol., 54: 216–226.
  • Specht K, Siebert R, Hartmann I, et al. 2014. Urban agriculture of the future: An overview of sustainability aspects of food production in and on buildings. Agric. Hum. Values, 31: 33–51.
  • Stadler RH. 2016. Foreword for Food Processing—Derived Contaminants in Food Analysis. In Reference Module in Food Science, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, ISBN 978-0-08-100596-5.
  • Tabish SA. 2007. Is diabetes becoming the biggest epidemic of the twenty-first century? Int J. Health Sci. 1 (2), V–VIII.
  • Templier V, Roux A, Roupioz Y, Livache T. 2016. Ligands for label-free detection of whole bacteria on biosensors: A review. TrAC Trends Anal. Chem., 79: 71–79.
  • Thomas S, et al. 2015. The expression of retinoblastoma tumor suppressor protein in oral cancers and precancers: a clinicopathological study. Dent. Res. J., 12 (4): 307.
  • Tian L, Hires SA, Mao T, et al. 2009. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GAaMP calcium indicators. Nat. Methods, 6: 875–881.
  • Turner AP. 2013. Biosensors: Sense and sensibility. Chem. Soc. Rev., 42: 3184–3196.
  • USEPA. Mercury Update: Impact of Fish Advisories, EPA Fact Sheet EPA-823-F-01-011, EPA, Office of Water: Washington, DC, USA, 2001.
  • Valastyan S, Weinberg RA. 2011. Tumor metastasis: molecular insights and evolving paradigms. Cell, 147 (2): 275–292.
  • Verma N, Kaur G. 2016. Trends on Biosensing Systems for Heavy Metal Detection. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 33–71, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Vu T, Claret FX. 2012. Trastuzumab: updated mechanisms of action and resistance in breast cancer. Front. Oncol., 2: 62.
  • Way JC, Collins JJ, Keasling JD, Silver PA. 2014. Integrating biological redesign: Where synthetic biology came from and where it needs to go. Cell, 157: 151–161.
  • Weng X, Neethirajan S. 2017. Ensuring food safety: Quality monitoring using microfluidics. Trends Food Sci. Technol., 65: 10–22.
  • Xiao Y, Lubin AA, Heeger AJ, Plaxco KW. 2005. Label-free electronic detection of thrombin in blood serum by using an aptamer-based sensor. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 44: 5456–5459.
  • Yildirim N, Long F, He M, Shi HC, Gu AZ. 2014. A portable optic fiber aptasensor for sensitive, specific and rapid detection of bisphenol-A in water samples. Environ. Sci. Process Impacts, 16: 1379–1386.
  • Yoshida K, Miki Y. 2004. Role of BRCA1 and BRCA2 as regulators of DNA repair, transcription, and cell cycle in response to DNA damage. Cancer Sci., 95 (11): 866–871.
  • Zhang D, Lu Y, Zhang Q, et al. 2015. Nanoplasmonic monitoring of odorants binding to olfactory proteins from honeybee as biosensor for chemical detection. Sens. Actuators B Chem., 221: 341–349.
  • Zhang F, Zhang Q, Zhang D, Lu Y, Liu Q, Wang P. 2014. Biosensor analysis of natural and artificial sweeteners in intact taste epithelium. Biosens. Bioelectron., 54: 385–392.
  • Zhang W, Asiri AM, Liu D, Du D, Lin Y. 2015. Nanomaterial-based biosensors for environmental and biological monitoring of organophosphorus pesticides and nerve agents. Trends Anal. Chem., 54: 1–10.
  • Adami A; Mortari A; Morganti E; Lorenzelli L. 2018. Microfluidic Sample Preparation Methods for the Analysis of Milk Contaminants. Available online: https://www.hindawi.com/journals/js/2016/2385267/
  • Al-Mawali A. 2015. Non-communicable diseases: shining a light on cardiovascular dis- ease, Oman’s biggest killer. Oman Med. J., 30 (4): 227.
  • Arduini F, Guidone S, Amine A, Palleschi G, Moscone D. 2013. Acetylcholinesterase biosensor based on self-assembled monolayer-modified gold-screen printed electrodes for organophosphorus insecticide detection. Sens. Actuators B Chem., 179: 201–208.
  • Arduini F, Cinti S, Scognamiglio V, Moscone D. 2016. Nanomaterials in electrochemical biosensors for pesticide detection: advances and challenges in food analysis. Microchim. Acta, 183: 2063–2083.
  • Arugula MA, Simonian AL. 2016. Biosensors for Detection of Genetically Modified Organisms in Food and Feed. In Genetically Modified Organisms in Food, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 97–110, ISBN 978-0-12-802259-7.
  • Ayari-Jeridi H. et al. 2015. Mutation spectrum of RB1 gene in unilateral retinoblastoma cases from Tunisia and correlations with clinical features. PLoS One, 10 (1): e0116615.
  • Bahadır EB, Sezgintürk MK. 2017. Biosensor technologies for analyses of food contaminants. In Nanobiosensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 289–337, ISBN 978-0-12-804301-1.
  • Baldwin CJ. 2015. Introduction to the Principles. In The 10 Principles of Food Industry Sustainability, John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, NJ, USA, pp. 1–14, ISBN 978-1-118-44769-7.
  • Beck MB, Walker VR. 2013. On water security, sustainability, and the water-food-energy-climate nexus. Front. Environ. Sci. Eng., 7: 626–639.
    Belkhamssa N, da Costa JP, Justino CIL, Santos PSM, Cardoso S, Duarte AC, Rocha-Santos T, Ksibi M. 2016. Development of an electrochemical biosensor for alkylphenol detection. Talanta, 158: 30–34.
  • Bhalla N. et al. 2016. Introduction to biosensors. Essays Biochem., 60 (1): 1–8.
  • Bohunicky B, Mousa SA. 2011. Biosensors: the new wave in cancer diagnosis. Nanotechnol. Sci. Appl., 4: 1.
  • Bourne MC. 2014. Food Security: Postharvest Losses. In Encyclopedia of Agriculture and Food Systems, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 338–351, ISBN 978-0-08-093139-5.
  • Bruen D et al. 2017. Glucose sensing for diabetes monitoring: recent developments. Sensors, 1866.
  • Burris KP, Stewart CN. 2012. Fluorescent nanoparticles: Sensing pathogens and toxins in foods and crops. Trends Food Sci. Technol., 28: 143–152.
    Byrne B et al. 2009. Antibody-based sensors: principles, problems and potential for detection of pathogens and associated toxins. Sensors, 9 (6): 4407–4445.
  • Cash KJ, Clark HA. 2010. Nanosensors and nanomaterials for monitoring glucose in diabetes. Trends Mol. Med., 16 (12): 584–593.
  • Chao R, Mishra S, Si T, Zhao H. 2017. Engineering biological systems using automated biofoundries. Metab. Eng., 42: 98–108.
  • Chen Y, Li H, Gao T, Zhang T, Xu L, Wang B, Wang J, Pei R. 2018. Selection of DNA aptamers for the development of light-up biosensor to detect Pb(II). Sens. Actuators B Chem., 254: 214–221.
  • Eissa S, Siaj M, Zourob M. 2015. Aptamer-based competitive electrochemical biosensor for brevetoxin-2. Biosens. Bioelectron., 69: 148–154.
  • Elmore S. 2007. Apoptosis: a review of programmed cell death. Toxicol. Pathol., 35 (4): 495–516.
  • Enrico DL, Manera MG, Montagna G, Cimaglia F, Chesa M, Poltronieri P, Santino A, Rella R. 2013. PR based immunosensor for detection of Legionella pneumophila in water samples. Opt. Commun., 294: 420–426.
  • EPA. National Recommended Water Quality Criteria—Aquatic Life Criteria Table. Available online: http://www.epa.gov/wqc/national-recommended-water-quality-criteria-aquatic-life-criteria-table
  • Fei A, Liu Q, Huan J, Qian J, Dong X, Qiu B, Mao H, Wang K. 2015. Label-free impedimetric aptasensor for detection of femtomole level acetamiprid using gold nanoparticles decorated multiwalled carbon nanotube-reduced graphene oxide nanoribbon composites. Biosens. Bioelectron., 70: 122–129.
  • Foudeh AM, Trigui H, Mendis N, Faucher SP, Veres T, Tabrizian M. 2015. Rapid and specific SPRi detection of L. pneumophila in complex environmental water samples. Anal. Bioanal. Chem., 407: 5541–5545.
  • Garnet TF. 2013. Food sustainability: Problems, perspectives and solutions. Proc. Nutr. Soc., 72: 29–39.
  • Gheorghe I, Czobor I, Lazar V, Chifiriuc MC 2017. Present and perspectives in pesticides biosensors development and contribution of nanotechnology. In New Pesticides and Soil Sensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 337–372, ISBN 978-0-12-804299-1.
  • Ghorashi M. 2018. Technology’s Role in Eradicating Foodborne Illness. Available online: https://www.foodsafetymagazine.com/signature-series/technologye28099s-role-in-eradicating-foodborne-illness/
  • Giacinti C, Giordano A. 2006. RB and cell cycle progression. Oncogene, 25 (38): 5220–5227.
  • Guo L, Li Z, Chen H, et al. 2017. Colorimetric biosensor for the assay of paraoxon in environmental water samples based on the iodine-starch color reaction. Anal. Chim. Acta, 967: 59–63.
  • Hameed I, et al. 2015. Type 2 diabetes mellitus: from a metabolic disorder to an inflammatory condition. World J. Diabetes, 6 (4): 598.
    Hassani S, Momtaz S, Vakhshiteh F, et al. 2017. Biosensors and their applications in detection of organophosphorus pesticides in the environment. Arch. Toxicol., 91: 109–130.
  • He MQ, Wang K, Wang J, Yu YL, He RH. 2017. A sensitive aptasensor based on molybdenum carbide nanotubes and label-free aptamer for detection of bisphenol A. Anal. Bioanal. Chem., 409: 1797–1803.
  • Holford TR et al. 2012. Recent trends in antibody based sensors. Biosens. Bioelectron., 34 (1): 12–24.
  • Hughes RA, Ellington AD. 2017. Synthetic DNA synthesis and assembly: Putting the synthetic in synthetic biology. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 9.
  • Husu I, Rodio G, Touloupakis E, et al. 2013. Insights into photo-electrochemical sensing of herbicides driven by Chlamydomonas reinhardtii cells. Sens. Actuators B Chem., 185: 321–330.
  • Jain KK. 2004. “Applications of biochips: from diagnostics to personalized medicine.” Curr Opin Drug Discov Devel, 7(3): 285-289.
  • Jiang D, Du X, Liu Q, Zhou L, Dai L, Qian J, Wang K. 2015. Silver nanoparticles anchored on nitrogen-doped graphene as a novel electrochemical biosensing platform with enhanced sensitivity for aptamer-based pesticide assay. Analyst, 140: 6404–6411.
  • Justino CIL, Freitas AC, Duarte AC, Santos TAPR. 2015. Sensors and biosensors for monitoring marine contaminants. Trends Environ. Anal. Chem., 6–7: 21–30.
  • Justino CIL, Freitas AC, Pereira R, Duarte AC, Rocha-Santos TAP. 2015. Recent developments in recognition elements for chemical sensors and biosensors. Trends Anal. Chem., 68: 2–17.
  • Kazemi-Darsanaki R et al. 2012. Biosensors: functions and applications. J. Biol. Today’s World, 2 (1): 20–23.
  • Khot LR, Sankaran S, Maja JM, Ehsani R, Schuster EW. 2012. Applications of nanomaterials in agricultural production and crop protection: A review. Crop Prot., 35: 64–70.
  • Kost GJ, Tran NK., 2005. Point-of-care testing and cardiac biomarkers: the standard of care and vision for chest pain centers. Cardiol. Clin., 23 (4): 467–490.
  • Lang Q, Han L, Hou C, Wang F, Liu A. 2016. A sensitive acetylcholinesterase biosensor based on gold nanorods modified electrode for detection of organophosphate pesticide. Talanta, 156: 34–41.
  • Lee EY, Muller WJ. 2010. Oncogenes and tumor suppressor genes. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2 (10): a003236.
  • Li Z, Yu Y, Li Z, Wu T. 2015. A review of biosensing techniques for detection of trace carcinogen contamination in food products. Anal. Bioanal. Chem., 407: 2711–2726.
  • Liao W, Lu X. 2016. Determination of chemical hazards in foods using surface-enhanced Raman spectroscopy coupled with advanced separation techniques. Trends Food Sci. Technol., 54: 103–113.
  • Long F, Zhu A, Shi H, Wang H, Liu J. 2013. Rapid on-site/in-situ detection of heavy metal ions in environmental water using a structure-switching DNA optical biosensor. Sci. Rep., 3: 2308.
  • Loo C, et al. 2005. Immunotargetednanoshells for integrated cancer imaging and therapy. Nano Lett., 5 (4): 709–711.
  • Maduraiveeran G, Jin W. 2017. Nanomaterilas based electrochemical sensor and biosensor platforms for environmental applications. Trends Environ. Anal. Chem., 13: 10–23.
  • Marcellin E, Nielsen LK 2018. Advances in analytical tools for high throughput strain engineering. Curr. Opin. Biotechnol., 54: 33–40.
  • Martín-Timón I et al. 2014. Type 2 diabetes and cardiovascular disease: have all risk factors the same strength? World J. Diabetes, 5 (4): 444.
  • Mayorga-Martinez C, Pino F, Kurbanoglua S, et al. 2014. Iridium oxide nanoparticles induced dual catalytic/inhibition based detection of phenol and pesticide compounds. J. Mater. Chem. B, 2: 2233–2239.
  • McPartlin DA, Loftus JH, Crawley AS, et al. 2017. Biosensors for the monitoring of harmful algal blooms. Curr. Opin. Biotechnol., 45: 164–169.
  • Mehrotra P. 2016. Biosensors and their applications – a review. J. Oral. Biol. Craniofac Res., 6 (2): 153–159.
  • Meriç S, Çakır Ö, Turgut-Kara N, Arı S. 2014. Detection of genetically modified maize and soybean in feed samples. Genet. Mol. Res., 13: 1160–1168.
  • Moran KLM, Fitzgerald J, McPartlin DA, Loftus JH, O’Kennedy R. 2016. Biosensor-Based Technologies for the Detection of Pathogens and Toxins. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 93–120, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Mungroo NA, Neethirajan S. 2014. Biosensors for the Detection of Antibiotics in Poultry Industry—A Review. Biosensors, 4: 472–493.
  • Ngoepe M et al. 2013. Integration of biosensors and drug delivery technologies for early detection and chronic management of illness. Sensors, 13 (6): 7680–7713.
  • Omidfar K. et al. 2013. New analytical applications of gold nanoparticles as label in antibody based sensors. Biosens. Bioelectron., 43: 336–347.
    Orozco J, Villa E, Manes C, Medlin LK, Guillebault D. 2016. Electrochemical RNA genosensors for toxic algal species: Enhancing selectivity and sensitivity. Talanta, 161: 560–566.
  • Patra S, Roy E, Madhuri R, Sharma PK. 2017. A technique comes to life for security of life: The food contaminant sensors. In Nanobiosensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 713–772, ISBN 978-0-12-804301-1.
  • Pola-López LA, Camas-Anzueto JL, Martínez-Antonio A, et al. 2018. Novel arsenic biosensor “POLA” obtained by a genetically modified E. coli bioreporter cell. Sens. Actuators B Chem., 254: 1061–1068.
  • Ragavan KV, Selvakumar LS, Thakur MS. 2013. Functionalized aptamers as nano-bioprobes for ultrasensitive detection of bisphenol-A. Chem. Commun., 49: 5960–5962.
  • Rapini R, Marrazza G. 2016. Biosensor Potential in Pesticide Monitoring. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 3–31, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Ravikumar A, Panneerselvam P, Radhakrishnan K, et al. 2017. DNAzyme based amplified biosensor on ultrasensitive fluorescence detection of Pb(II) ions from aqueous system. J. Fluoresc., 27: 2101–2109.
  • Rocchitta G, et al. 2016. Enzyme biosensors for biomedical applications: strategies for safeguarding analytical performances in biological fluids. Sensors, 16 (6).
  • Rotariu L, Lagarde F, Jaffrezic-Renault N, Bala C. 2016. Electrochemical biosensors for fast detection of food contaminants—Trends and perspective. TrAC Trends Anal. Chem., 79: 80–87.
  • Saucedo NM, Mulchandan A. 2016. Sensing of Biological Contaminants. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 73–91, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Shi H, Zhao G, Liu M, Fan L, Cao T. 2013. Aptamer-based colorimetric sensing of acetamiprid in soil samples: Sensitivity, selectivity and mechanism. J. Hazard. Mater., 260: 754–761.
  • Singh M, del Valle M. 2015. Arsenic Biosensors. In Handbook of Arsenic Toxicology, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 575–588, ISBN 978-0-12-418688-0.
  • Sinha K, Ghosh J, Sil PC. 2017. New pesticides: A cutting-edge view of contributions from nanotechnology for the development of sustainable agricultural pest control. In New Pesticides and Soil Sensors, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, pp. 47–79, ISBN 978-0-12-804299-1.
  • Sodano V, Gorgitano MT, Quaglietta M, Verneau F. 2016. Regulating food nanotechnologies in the European Union: Open issues and political challenges. Trends Food Sci. Technol., 54: 216–226.
  • Specht K, Siebert R, Hartmann I, et al. 2014. Urban agriculture of the future: An overview of sustainability aspects of food production in and on buildings. Agric. Hum. Values, 31: 33–51.
  • Stadler RH. 2016. Foreword for Food Processing—Derived Contaminants in Food Analysis. In Reference Module in Food Science, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, ISBN 978-0-08-100596-5.
  • Tabish SA. 2007. Is diabetes becoming the biggest epidemic of the twenty-first century? Int J. Health Sci. 1 (2), V–VIII.
  • Templier V, Roux A, Roupioz Y, Livache T. 2016. Ligands for label-free detection of whole bacteria on biosensors: A review. TrAC Trends Anal. Chem., 79: 71–79.
  • Thomas S, et al. 2015. The expression of retinoblastoma tumor suppressor protein in oral cancers and precancers: a clinicopathological study. Dent. Res. J., 12 (4): 307.
  • Tian L, Hires SA, Mao T, et al. 2009. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GAaMP calcium indicators. Nat. Methods, 6: 875–881.
  • Turner AP. 2013. Biosensors: Sense and sensibility. Chem. Soc. Rev., 42: 3184–3196.
  • USEPA. Mercury Update: Impact of Fish Advisories, EPA Fact Sheet EPA-823-F-01-011, EPA, Office of Water: Washington, DC, USA, 2001.
  • Valastyan S, Weinberg RA. 2011. Tumor metastasis: molecular insights and evolving paradigms. Cell, 147 (2): 275–292.
  • Verma N, Kaur G. 2016. Trends on Biosensing Systems for Heavy Metal Detection. In Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, Volume 74, pp. 33–71, ISBN 978-0-444-63579-2.
  • Vu T, Claret FX. 2012. Trastuzumab: updated mechanisms of action and resistance in breast cancer. Front. Oncol., 2: 62.
  • Way JC, Collins JJ, Keasling JD, Silver PA. 2014. Integrating biological redesign: Where synthetic biology came from and where it needs to go. Cell, 157: 151–161.
  • Weng X, Neethirajan S. 2017. Ensuring food safety: Quality monitoring using microfluidics. Trends Food Sci. Technol., 65: 10–22.
  • Xiao Y, Lubin AA, Heeger AJ, Plaxco KW. 2005. Label-free electronic detection of thrombin in blood serum by using an aptamer-based sensor. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 44: 5456–5459.
  • Yildirim N, Long F, He M, Shi HC, Gu AZ. 2014. A portable optic fiber aptasensor for sensitive, specific and rapid detection of bisphenol-A in water samples. Environ. Sci. Process Impacts, 16: 1379–1386.
  • Yoshida K, Miki Y. 2004. Role of BRCA1 and BRCA2 as regulators of DNA repair, transcription, and cell cycle in response to DNA damage. Cancer Sci., 95 (11): 866–871.
  • Zhang D, Lu Y, Zhang Q, et al. 2015. Nanoplasmonic monitoring of odorants binding to olfactory proteins from honeybee as biosensor for chemical detection. Sens. Actuators B Chem., 221: 341–349.
  • Zhang F, Zhang Q, Zhang D, Lu Y, Liu Q, Wang P. 2014. Biosensor analysis of natural and artificial sweeteners in intact taste epithelium. Biosens. Bioelectron., 54: 385–392.
  • Zhang W, Asiri AM, Liu D, Du D, Lin Y. 2015. Nanomaterial-based biosensors for environmental and biological monitoring of organophosphorus pesticides and nerve agents. Trends Anal. Chem., 54: 1–10.