„ Βιοσένσορες & Βιοτσίπ για ένα βιώσιμο “

Αρχάριο επίπεδο

Τα βιοτσίπ εμφανίστηκαν ως μια καινοτόμος πλατφόρμα μικροτεχνολογίας για ανάλυση βιο-μορίων τη δεκαετία του 1980.

Περιεχόμενα

Βιοσένσορες & Βιοτσίπ: Μια επισκόπιση

Σχέδια για Βιοαισθητήρες: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Σχέδια για Βιοτσίπ: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Test: LO3 Αρχάριο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

Βιοσένσορες & Βιοτσίπ: Μια επισκόπιση

Σχέδια για Βιοαισθητήρες: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Σχέδια για Βιοτσίπ: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Test: LO3 Αρχάριο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

 

Βιοσένσορες & Βιοτσίπ: Μια επισκόπιση

Τα βιοτσίπ εμφανίστηκαν ως μια καινοτόμος πλατφόρμα μικροτεχνολογίας για ανάλυση βιο-μορίων τη δεκαετία του 1980. Μια ποικιλία τεχνολογιών, όπως οι επιστήμες της ζωής, η τεχνολογία των πληροφοριών, η μικροηλεκτρονική και η μικρομηχανική, εμπλέκονται στις βασικές τεχνολογίες. Τα βιοτσίπ θεωρούνται σημαντικά δυνητικά όργανα στη σύγχρονη έρευνα της επιστήμης της ζωής, την ιατρική διάγνωση, την ανακάλυψη φαρμάκων, την παρακολούθηση της ασφάλειας των τροφίμων και τη γεωργία ως χαρακτηριστικά υψηλής απόδοσης, μικρογραφίες, αυτοματοποιημένα και οικονομικά αποδοτικά. Τα βιοτσίπ αναμένεται να επιτρέψουν την ταχύτητα και το εύρος της αναλυτικής διαδικασίας να αυξηθούν δραματικά και να προσφέρουν τεράστια οικονομική αξία. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια, πολλές κυβερνήσεις και βιομηχανικές εταιρείες στον κόσμο έχουν επενδύσει σημαντικά σε αυτόν τον τομέα. Η τεχνολογία των βιοτσίπ βρίσκεται στην πρώτη της εξέλιξη προς το παρόν. Αυτός είναι ένας τομέας που αλλάζει συνεχώς. Το μέλλον για την έρευνα και την ανάπτυξη βιοτσίπ είναι λαμπρό. Υπάρχει έντονος ανταγωνισμός σε αυτόν τον τομέα.

Στη βιοϊατρική και την επιστήμη της ζωής, η μικρογραφία χημικών και βιοϊατρικών εργαστηριακών διαδικασιών στα μικροτσίπ είναι ένα πεδίο που επεκτείνεται ταχέως. Οι τεχνολογίες Lab-on-chip θα φέρουν πολλά οφέλη έναντι των ομολόγων τους μακρο-μεγέθους. Συγκεκριμένα, οι υψηλότερες αναλογίες επιφάνειας προς όγκο έχουν ως αποτέλεσμα μειωμένες χημικές απαιτήσεις, μειωμένα απόβλητα, καλύτερο έλεγχο, γρήγορη επεξεργασία και σημαντική ικανότητα παράλληλης επεξεργασίας και ενσωμάτωσης διαδικασίας. Οι τεχνολογίες εργαστηρίου σε τσιπ έχουν τη δυνατότητα να έχουν σημαντικό κοινωνικοοικονομικό αντίκτυπο. Στην εργαστηριακή ιατρική, πλήρως ενσωματωμένες μικροσυσκευές για χημική σύνθεση και διάγνωση ασθενειών προσφέρουν μια επιστημονική ανακάλυψη και μια αλλαγή παραδείγματος στη χημική επεξεργασία. Το έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει συμβάλει τεράστια σε αυτήν την τεχνολογία.

Στον τομέα της ανάλυσης, οι βιοαισθητήρες επιτρέπουν μεγάλες καινοτομίες που διευκολύνονται και διευκολύνονται από τις εξελίξεις στη συνθετική βιολογία. Η δυνατότητα των βιοαισθητήρων να εντοπίζουν ένα ευρύ φάσμα μορίων εύκολα και με ακρίβεια τα καθιστά εξαιρετικά σημαντικά για μια ποικιλία βιομηχανικών, ιατρικών, οικολογικών και επιστημονικών εφαρμογών. Οι στρατηγικές σχεδιασμού βιοαισθητήρων είναι τόσες πολλές όσο και οι εφαρμογές τους, με μεγάλες ομάδες βιοαισθητήρων να περιλαμβάνουν νουκλεϊκά οξέα, πρωτεΐνες και παράγοντες μεταγραφής. Με βάση την αναμενόμενη χρήση και τις παραμέτρους που απαιτούνται για τη βέλτιστη απόδοση, καθένας από αυτούς τους τύπους βιοαισθητήρων έχει πλεονεκτήματα και περιορισμούς. Ειδικά, πρέπει να ληφθούν υπόψη στοιχεία όπως η ιδιαιτερότητα του συνδέσμου, η ευαισθησία, το δυναμικό εύρος, το εύρος λειτουργίας, η λειτουργία εξόδου, ο χρόνος ενεργοποίησης, η ευκολία χρήσης και η ευκολία στη μηχανική κατά την επιλογή του σχεδιασμού του βιοαισθητήρα.

Σχέδια για Βιοαισθητήρες: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Οι βιοαισθητήρες είναι αισθητήρες που μετατρέπουν τις διαδικασίες βιοανάγνωσης μέσω ενός φυσικοχημικού μετατροπέα σε παρατηρήσιμα σήματα, με ηλεκτρονικές και οπτικές τεχνικές ως δύο κύριους μορφοτροπείς. Η δημιουργία βιοαισθητήρων καλύπτει τη σημερινή ραγδαία αυξανόμενη ανάγκη για κλινική διάγνωση. Ένας συνδυασμός πλεονεκτημάτων επιτυγχάνεται με τη χρήση βιοαισθητήρων. Οι βιοαισθητήρες, πρώτον, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι. Αυτό συμβαίνει επειδή τα βιομόρια έχουν μεγάλη συγγένεια με τους στόχους τους, για παράδειγμα, τα αντισώματα συλλαμβάνουν αντιγόνα με σταθερά διάστασης στη νανομοριακή κλίμακα και οι αλληλεπιδράσεις DNA -DNA είναι πολύ ισχυρότερες από το αντιγόνο -αντίσωμα. Δεύτερον, η βιολογική αναγνώριση είναι συνήθως πολύ επιλεκτική. Το ένζυμο και το υπόστρωμα είναι σαν μια κλειδαριά και ένα κλειδί, για παράδειγμα. Μια τέτοια υψηλή επιλεκτικότητα οδηγεί συχνά σε βιοαισθητήρες που είναι επιλεκτικοί. Τρίτον, η παραγωγή φθηνών, ολοκληρωμένων και έτοιμων προς χρήση συσκευών βιοαισθητήρων έχει γίνει σχετικά εύκολο να αναπτυχθεί λόγω της ανάπτυξης της σύγχρονης ηλεκτρονικής βιομηχανίας. Η ικανότητα ανίχνευσης παθογόνων ή η γενετική ανάλυση στα νοσοκομεία είναι σίγουρα βελτιωμένη από αυτούς τους βιολογικούς αισθητήρες. το πιο σημαντικό, είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για μικρές κλινικές και ακόμη και ανάλυση σημείων φροντίδας.

Για βιοαισθητήρες με κλινικές εφαρμογές, έχει αναπτυχθεί μια σειρά νέων τεχνικών. Οι βιοαισθητήρες είναι, γενικά, αναλυτικές συσκευές κατασκευασμένες από ένα στοιχείο βιολογικής αναγνώρισης και έναν οπτικό/ηλεκτρονικό μετατροπέα. Το βιολογικό στοιχείο είναι υπεύθυνο για τη σύλληψη αναλυτών διαλύματος και ο μετατροπέας μετατρέπει το συμβάν σύνδεσης σε μετρήσιμη παραλλαγή σήματος. Από τη φύση της αναγνώρισης, οι βιοαισθητήρες με βάση το ένζυμο, οι ανοσολογικοί βιοαισθητήρες και οι βιοαισθητήρες DNA, θα μπορούσαν να κατηγοριοποιήσουν τον τύπο των βιοαισθητήρων. Επιπλέον, διατίθενται ηλεκτρονικοί βιοαισθητήρες (ηλεκτρικοί ή ηλεκτροχημικοί), οπτικοί βιοαισθητήρες (φθορισμός, συντονισμός πλασμώνος επιφάνειας ή Raman) και πιεζοηλεκτρικοί βιοαισθητήρες (μικροζυγός κρυστάλλου χαλαζία) ανάλογα με τον τύπο του μορφοτροπέα.

Ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες

Για τη βιολογική ανίχνευση, όπου τα ηλεκτρόδια λειτουργούν είτε ως δότες ηλεκτρονίων είτε ως δέκτες ηλεκτρονίων, οι ηλεκτροχημικές τεχνικές είναι ιδιαίτερα χρήσιμες. Εκτεταμένα ηλεκτροχημικά πειράματα έχουν δείξει ότι η θεωρία μεταφοράς ηλεκτρονίων Marcus συμμορφώνεται επίσης με την ετερογενή μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ ηλεκτροδίων και ορίων οξειδοαναγωγής που περιορίζονται στην επιφάνεια, παρόμοια με τα ζεύγη δότη-αποδέκτη σε ομοιογενή διαλύματα. Αυτό σημαίνει ότι οι μικρές μεταβολές της απόστασης στα οξειδοαναγωγικά περιορισμένα στην επιφάνεια μόρια μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες διαφορές στους ετερογενείς ρυθμούς μεταφοράς ηλεκτρονίων που υποτίθεται ότι μεταφράζονται σε ανιχνεύσιμες αλλαγές των ηλεκτροχημικών σημάτων. Ο Hellinga και οι συνεργάτες του, για παράδειγμα, πρότειναν μια στρατηγική ηλεκτροχημικής ανίχνευσης που εκμεταλλεύεται τις κινήσεις κάμψης μεντεσέ που προκαλούνται από πρωτεΐνες. Ένα χρυσό ηλεκτρόδιο επικαλύφθηκε αρχικά με μια αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα (SAM), η οποία δίνει μια ευέλικτη πλατφόρμα για ακινητοποίηση πρωτεΐνης συγκεκριμένης θέσης. Η πρωτεΐνη που δεσμεύει τη μαλτόζη (MBP) στη συνέχεια συνδέθηκε με την επιφάνεια του ηλεκτροδίου χρυσού με έναν ιδιαίτερο προσανατολισμό, καθώς η ομάδα οξειδοαναγωγικής αναφοράς του ρουθηνίου (Ru (II)) είναι στερεωμένη σε ένα ορισμένο εύρος πάνω από το ηλεκτρόδιο. Καθώς η μαλτόζη προσδέματος συνδέεται με την ενεργή θέση, ο αναφορέας Ru (II) απομακρύνεται από το ηλεκτρόδιο προκαλώντας μια κίνηση κάμψης μεντεσέ του MBP (Εικόνα 1).

Εικόνα 1. Κατασκευή και λειτουργία ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα

Αυτή η αλλαγή απόστασης που προκαλείται από τη σύνδεση με μαλτόζη προκαλεί μειώσεις εξαρτώμενων από τη συγκέντρωση των ηλεκτροχημικών σημάτων, παρέχοντας έτσι έναν τρόπο για την ηλεκτρονική αίσθηση της μαλτόζης. Έχει επίσης αποδειχθεί η χρήση αυτής της εξαιρετικά γενικευμένης προσέγγισης ανίχνευσης για την ανίχνευση διαφόρων αναλυτών με μια οικογένεια πρωτεϊνών ή ενζύμων που υφίστανται μεταβολικές διαμορφώσεις που προκαλούνται από δέσμευση συνδέτη.

Βιοαισθητήρες με ενζυμική βάση

Οι πρώτοι βιοαισθητήρες που καταγράφηκαν ποτέ ήταν οι βιοαισθητήρες με βάση την οξειδάση της γλυκόζης (GOD), που δημιουργήθηκαν από τους Clark και Lyons το 1962. Η υπεργλυκαιμία, μια χρόνια αυξημένη συγκέντρωση γλυκόζης στο αίμα, είναι κοινή για τον σακχαρώδη διαβήτη. Ως αποτέλεσμα, ο τακτικός έλεγχος της συγκέντρωσης γλυκόζης στο αίμα τους είναι απαραίτητος για διαβητικούς ασθενείς. Το όφελος της ηλεκτροχημείας σε συνδυασμό με την κατάλυση ενζύμων είναι αυτός ο βιοαισθητήρας και οι νεότερες εκδόσεις του. Ένα ηλεκτρόδιο ακινητοποιημένο με τον GOD ήταν ο βιοαισθητήρας του Clark. Η οξειδωμένη μορφή του GOD αλληλεπιδρά με τη γλυκόζη παρουσία γλυκόζης και παράγει γλυκονικό οξύ και μειωμένο GOD, με δύο ηλεκτρόνια και δύο πρωτόνια. Καθώς το διαλυμένο οξυγόνο αντιδρά με μειωμένο GOD, αυτή η οξείδωση της γλυκόζης καταναλώνει επίσης οξυγόνο στο διάλυμα, παράγοντας έτσι υπεροξείδιο του υδρογόνου και οξειδωμένο GOD και μειώνοντας την πίεση οξυγόνου. Ως αποτέλεσμα, με την ηλεκτροχημική αίσθηση του οξυγόνου με ένα ηλεκτρόδιο οξυγόνου Clark, το ηλεκτρόδιο μπορεί να ανιχνεύσει τη γλυκόζη. Αυτό το είδος αισθητήρα θεωρείται βιοαισθητήρας της “πρώτης γενιάς”. Η Yellow Springs Instrument Company (Οχάιο, ΗΠΑ) κυκλοφόρησε αυτόν τον βιοαισθητήρα πρώτης γενιάς στη δεκαετία του 1970.

Ο βιοαισθητήρας δεύτερης γενιάς αντικαθιστά το φυσικό υπόστρωμα, το οξυγόνο, με μικρά τεχνητά οξειδοαναγωγικά μόρια που λειτουργούν ως οξειδοαναγωγικοί μεσολαβητές και ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια μεταξύ ηλεκτροδίων και ενζύμων. Για τη βελτίωση της απόδοσης του αισθητήρα, δηλαδή της ευαισθησίας και της σχέσης σήματος προς θορύβου, χρησιμοποιήθηκε μια ποικιλία διαλυτών οξειδοαναγωγικών μορίων, όπως σιδηροκένιο, θειονίνη, μπλε του μεθυλενίου, μεθυλο βιολόγο. Αυτοί οι μεσολαβητές διαλύθηκαν αρχικά σε ένα διάλυμα. Παίρνουν ηλεκτρόνια από τα ηλεκτρόδια και στη συνέχεια, ή αντίστροφα, αυτά τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο οξειδοαναγωγικό κέντρο των ενζύμων. Οι ακινητοποιημένοι διαμεσολαβητές προτάθηκαν ως ένα βήμα μπροστά, προκειμένου να ενισχυθούν οι βιοαισθητήρες χωρίς αντιδραστήριο. Για παράδειγμα, για το υπεροξείδιο του υδρογόνου, οι Ruan et al το 1998 τεκμηρίωσαν έναν αντιδραστήριο αισθητήρα στερεάς κατάστασης. Τα ηλεκτρόδια χρυσού τροποποιήθηκαν αρχικά με L-κυστεΐνη και στη συνέχεια συνδέθηκαν πολλαπλά στρώματα υπεροξειδάσης χρένου (HRP) με γλουταραλδεϋδη στην αμινο ομάδα κυστεΐνης και η θειονίνη συνδέθηκε περαιτέρω με το ένζυμο με τον ίδιο χημικό σύνδεσμο. Ως αποτέλεσμα, το ηλεκτρόδιο χρυσού ακινητοποιήθηκε τόσο από το ένζυμο όσο και από τον διαμεσολαβητή, το οποίο μπορούσε να ανιχνεύσει το υπεροξείδιο του υδρογόνου ευαίσθητα στο υπό εξέταση διάλυμα χωρίς περαιτέρω προσθήκη αντιδραστηρίου. Ένα ουσιαστικό πλεονέκτημα αυτής της διαμόρφωσης του βιοαισθητήρα είναι ότι ο διαμεσολαβητής είναι στερεωμένος στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, αποτρέποντας έτσι το πρόβλημα διάχυσης.

Μια εναλλακτική λύση που περιελάμβανε τη χρήση οξειδοαναγωγικών πολυμερών ανέφερε η Heller και οι συνεργάτες της. Αρχικά, παρασκεύασαν ένα πολυμερές ντοπαρισμένο με σύμπλεγμα Os+2. Αυτός ο τύπος πολυμερούς λειτουργεί ως “μοριακό σύρμα” και ανταλλάσσει ηλεκτρόνια μεταξύ του ενζύμου και του ηλεκτροδίου. Το πολυμερές Os και η οξειδάση γλυκόζης ακινητοποιούνται στη συνέχεια στο ηλεκτρόδιο άνθρακα, το οποίο δημιουργεί μια ευαίσθητη απόκριση στην παρουσία γλυκόζης. Theyταν σε θέση να κάνουν σχεδόν 100 % ακινητοποιημένα μόρια ενζύμου ηλεκτροενεργά χρησιμοποιώντας αυτά τα οξειδοαναγωγικά πολυμερή, τα οποία συνέβαλαν σε μια πολύ υψηλή ευαισθησία μέθοδο ανίχνευσης γλυκόζης.

Η εμπορευματοποίηση του βιοαισθητήρα δεύτερης γενιάς με ένζυμα ήταν αρκετά επιτυχής. Το 1987, δημιουργήθηκε το MediSense και απελευθερώθηκαν οι αισθητήρες γλυκόζης ExactechTM. Αυτή η επιτυχία οδήγησε σε μια επανάσταση στην υγειονομική περίθαλψη για τους διαβητικούς ασθενείς. Αντί να ταξιδέψουν σε νοσοκομεία, μπόρεσαν να ελέγξουν τη συγκέντρωση γλυκόζης αίματος στο σπίτι. Τα συστήματα MediSense και αργότερα αμπερομετρικός βιοαισθητήρας αποτελούνται από ηλεκτρόδια άνθρακα μίας χρήσης, με εκτύπωση οθόνης και διαμεσολαβητές (ταινίες δοκιμής). Ο αισθητήρας αρχίζει να λειτουργεί όταν μια σταγόνα αίματος εφαρμόζεται στη δοκιμαστική ταινία και καταγράφει την αμπερομετρική απόκριση, η οποία μετατρέπεται σε ένα ψηφίο που εμφανίζεται στην οθόνη LCD, υποδεικνύοντας τη συγκέντρωση γλυκόζης.

Πιο πρόσφατα, σχεδιάζοντας ένα ανασυσταμένο ένζυμο GOD, οι Xiao et al (2003) δημοσίευσαν μια νέα γενιά βιοαισθητήρα γλυκόζης. Πρώτα παρασκεύασαν apo-GOD απαλλαγμένο από τον συμπαράγοντα δινουκλεοτιδίου φλαβίνης αδενίνης (FAD), στη συνέχεια λειτούργησαν και ανακατασκεύασαν ένα νανοσωματίδιο χρυσού 1,4-nm με FAD στο apo-GOD. Χρησιμοποιώντας μονοστιβάδα διθειόλης, ένα τέτοιο ανασυσταθέν ένζυμο ευθυγραμμίστηκε με ηλεκτρόδια χρυσού (Εικόνα 2). Έδειξαν ότι ο κύκλος μεταφοράς ηλεκτρονίων αυτού του τεχνητού ενζύμου είναι τόσο υψηλός όσο 5000 s-1, περίπου 8 φορές υψηλότερος από το κανονικό ένζυμο (700 s-1). Το νανοσωματίδιο χρυσού σε αυτό το σύστημα χρησιμεύει ως ρελέ ηλεκτρονίων για την ηλεκτρική καλωδίωση του οξειδοαναγωγικού κέντρου του ενζύμου. Σε αυτόν τον τομέα, ο βιοαισθητήρας γλυκόζης που καθιερώθηκε από τους Xiao et al αντιπροσωπεύει ένα νέο μονοπάτι, απαλλαγμένο από κάθε μεσολαβητή και ιδιαίτερα ευαίσθητο. Πιο πρόσφατα, χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες άνθρακα μονής τοιχώματος (SWNTs) αντί για νανοσωματίδια χρυσού, η ομάδα του Willner τεκμηρίωσε μια τροποποιημένη έκδοση αυτού του αισθητήρα και συνειδητοποίησε μια παρόμοια ανώτερη απόδοση. Αν και δεν υπάρχει ακόμη εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας, αναμένεται ότι οι τελευταίας τεχνολογίας βιοαισθητήρες θα βελτιωθούν περαιτέρω.

Εικόνα 2. Κατασκευή και λειτουργία ενζυμικού βιοαισθητήρα

Ανοσολογικός βιοαισθητήρας

Για τον προσδιορισμό περιβαλλοντικών ή κλινικά σημαντικών στόχων, οι ανοσολογικοί βιοαισθητήρες εξαρτώνται από ένα ιδιαίτερα ειδικό ανοσολογικό σύστημα, δηλαδή αντισώματα και αντιγόνα. Στην πραγματικότητα, οι ανοσολογικοί βιοαισθητήρες είναι μια σύγχρονη παραλλαγή της ενζυμικής ανοσοπροσροφητικής δοκιμασίας (ELISA), με χαμηλότερο κόστος, αυξημένη ταχύτητα και ευκολία εξυπηρέτησης και ευαισθησία συγκρίσιμη ή και υψηλότερη.

Μεταξύ των πιο συνηθισμένων είναι οι ηλεκτροχημικοί ανοσολογικοί βιοαισθητήρες. Υπάρχουν δύο τύποι ανοσολογικών βιοαισθητήρων. Πρώτον, το ηλεκτρόδιο ακινητοποιείται με ένα αντίσωμα σύλληψης, το οποίο πιάνει ένα συγκεκριμένο αντιγόνο στόχο. Μέσω ενός δευτερογενούς αντισώματος επισημασμένου με οξειδοαναγωγικά μόρια ή ένζυμα, επιτυγχάνεται η μεταγωγή σήματος. Δεύτερον, ένα αντιγόνο ηλεκτροδίων ακινητοποιείται, το οποίο ανιχνεύει συγκεκριμένα αντισώματα.

Ο Ju και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν έναν αμπερομετρικό ανοσολογικό βιοαισθητήρα καρκινοεμβρυονικού αντιγόνου (CEA). Τα θειονίνη και τα επισημασμένα με HRP αντισώματα CEA ακινητοποιήθηκαν ταυτόχρονα σε ένα υαλώδες ηλεκτρόδιο άνθρακα διασταυρωμένο με γλουταραλδεyδη. Στο διάλυμα, το οποίο συνδέθηκε με την αντίδραση ηλεκτροδίου της θειονίνης, το HRP μείωσε καταλυτικά το υπεροξείδιο του υδρογόνου, οδηγώντας σε καταλυτικό σήμα. Το οξειδοαναγωγικό κέντρο του HRP αποκλείστηκε εν μέρει από τη σύλληψη του CEA, οδηγώντας σε εξασθένηση των αμπερομετρικών σημάτων.

Ο Rusling και οι συνεργάτες του εκμεταλλεύτηκαν πρόσφατα τα SWNT για την ενίσχυση της ανοσολογικής απόδοσης του βιοαισθητήρα (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Κατασκευή και λειτουργία ανοσολογικού βιοαισθητήρα

Χρησιμοποιώντας αυτόματη συναρμολόγηση μετάλλων, σχεδίασαν κάθετα ευθυγραμμισμένες συστοιχίες SWNTs (forest SWNT) σε πυρόλυτα ηλεκτρόδια γραφίτη. Το Anti-HSA, χρησιμοποιώντας EDC/NHS, στη συνέχεια συνδέθηκε ομοιοπολικά στα καρβοξυλιωμένα άκρα του δάσους SWNT. Το ηλεκτρόδιο επωάστηκε περαιτέρω με ένα δευτερεύον σημασμένο με HRP αντίσωμα anti-HSA μετά τη σύλληψη του στόχου HSA. Ο στόχος HSA στο διάλυμα δοκιμής μπορεί να προσδιοριστεί με βάση το καταλυτικό σήμα του HRP για υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η ευαισθησία ανίχνευσης, η οποία ήταν περίπου 1 nM, βελτιώθηκε δραματικά με τη χρήση forest SWNT. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στη βελτιωμένη αντιδραστικότητα της μεταφοράς ηλεκτρονίων του HRP εγκλωβισμένου σε forest SWNT.

Ένα από τα πιο συναφή κλινικά εργαλεία ήταν οι ανοσολογικές δοκιμασίες. Ωστόσο, οι υπάρχουσες μέθοδοι ανάλυσης, όπως η ELISA, απαιτούν μεγάλα και δαπανηρά εργαλεία καθώς και καλά εκπαιδευμένους ειδικούς. Για την ανάπτυξη φθηνών, μικροσκοπικών και συμπαγών συσκευών, οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι είναι καλά προσαρμοσμένες. Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη ηλεκτροχημικών ανοσολογικών βιοαισθητήρων για την κάλυψη της ανάλυσης πεδίου και σημείου φροντίδας είναι ιδιαίτερα επιθυμητή. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι η χρήση ηλεκτροδίων μίας χρήσης με εκτύπωση οθόνης θα μπορούσε να είναι καθοριστική για αυτόν τον στόχο, συγκρίσιμο με τους βιοαισθητήρες γλυκόζης. Προκειμένου να διεξαχθούν δοκιμασίες υψηλής απόδοσης (HTS), είναι επίσης σημαντικό να δημιουργηθούν μικροσυστοιχίες αντισωμάτων με βάση την ηλεκτροχημεία.

Βιοσένσορες DNA

Υπήρξε τεράστιο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον για τον εντοπισμό συμβάντων υβριδισμού του DNA. Το ταχέως αυξανόμενο ενδιαφέρον για κλινική διάγνωση με βάση τα τσιπ έχει αποδείξει ιδιαίτερα αυτή τη σημασία. Ως εκ τούτου, μια ποικιλία τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών, ακουστικών και ηλεκτρονικών προσεγγίσεων, έχει αναπτυχθεί με την πάροδο των ετών. Τις προηγούμενες δεκαετίες, η ανίχνευση φθορισμού κυριάρχησε μεταξύ τους σε υπερσύγχρονες γεννήτριες. Ωστόσο, οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι, οι οποίες έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικές σε απλά χημικά είδη, ιδίως μεταλλικά ιόντα, έχουν προσελκύσει όλο και περισσότερο ενδιαφέρον για βιολογικά σχετικές εφαρμογές ανίχνευσης ειδών.

Τα οφέλη της ηλεκτρονικής ανίχνευσης περιλαμβάνουν: 1) η ηλεκτροχημική ανίχνευση είναι συνήθως φθηνή, καθιστώντας έτσι δυνατή την εξαιρετικά ευαίσθητη και γρήγορη εξέταση. 2) Αρκετές ηλεκτροενεργές ετικέτες, π.χ. μεταλλοκένια, είναι σταθερά και περιβαλλοντικά μη ευαίσθητα, σε αντίθεση με τα φθοροφόρα που συχνά έχουν προβλήματα “φωτο-λεύκανσης”. 3) Ο κατάλληλος μοριακός σχεδιασμός και σύνθεση που παράγει μια ποικιλία παραγώγων, το καθένα με συγκεκριμένο δυναμικό οξειδοαναγωγής, επέτρεψε την επισήμανση «πολύχρωμο». 4) Η ταχέως καθιερωμένη βιομηχανία πυριτίου άνοιξε το δρόμο για τη μαζική παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθιστώντας την ηλεκτρονική ανίχνευση ιδιαίτερα κατάλληλη και συμβατή με τεχνολογίες που βασίζονται σε μικροσυστοιχία. 5) Η εκθετική ανάπτυξη της διεπιφανειακής επιστήμης και τεχνολογίας έχει αποκαλύψει μυστήρια στον ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων της επιφάνειας που αποτελούν ένα από τα βασικά εμπόδια στις βιοηλεκτρονικές εφαρμογές.

Σε μέτριες εφαρμοζόμενες τάσεις, το ίδιο το DNA είναι ηλεκτροχημικά σιωπηλό, ενώ σημαντικές παρεμβολές προβλέπονται σε υψηλές τάσεις που προκαλούν οξείδωση/μείωση των βάσεων DNA. Ο Millan ήταν ο πρώτος που πρότεινε ανιχνεύσεις στόχου επιλεκτικού DNA με βάση δείκτες ηλεκτροδραστικού υβριδισμού που παρέχουν ηλεκτρονική σήματα και διπλή και μονόκλωνη διάκριση DNA. Οι ανιχνεύσεις τύπου “σάντουιτς” προτάθηκαν σε μια προσπάθεια να μειωθεί το υψηλό υπόβαθρο που προέρχεται από τη δευτερεύουσα δέσμευση των δεικτών υβριδισμού στο ssDNA. Ένας κλώνος DNA που διαθέτει ηλεκτροενεργή ετικέτα έχει εισαχθεί για να λειτουργεί ως Ομοίως, με ανιχνευτές νανοσωματιδίων, ο Park και οι συνεργάτες του το 2002 ανέπτυξαν μια ηλεκτρική ανίχνευση DNA βασισμένη σε συστοιχία που επιδεικνύει υψηλή ευαισθησία και επιλεκτικότητα. Μια τεχνολογία βασισμένη στη σχετικά υψηλή δράση οξείδωσης της γουανίνης και της η συνεργασία με εξωγενείς οξειδοαναγωγικούς καταλύτες αναπτύχθηκε από την Thorp ένα χρόνο αργότερα. Η διάκριση των ds/ss επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι η γουανίνη έχει σχετικά χαμηλή αντιδραστικότητα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε διπλές όψεις, λόγω του στερικού αποτελέσματος. Στην ανίχνευση προϊόντων PCR, αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη, αλλά σχετικά φτωχή σε διακρίσεις συμβάντων υβριδισμού. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος είναι δυνατή μόνο σε επιφάνειες ITO μέχρι τώρα, επειδή το υψηλό δυναμικό οξείδωσης εξακολουθεί να αποκλείει τη χρήση χρυσού.

Παρά την πρόοδο, η ανάπτυξη ενός αισθητήρα all-in-one (δηλαδή χωρίς αντιδραστήριο) που σηματοδοτεί ειδικά τη σύλληψη στόχων εξακολουθεί να είναι πολύ σημαντική (δηλαδή, να αποφεύγεται η περαιτέρω επεξεργασία είτε με μόρια σήματος είτε με δείκτες υβριδισμού). Ένα βιώσιμο μέσο για το σκοπό αυτό παρέχεται από απταμερή DNA ή RNA. Τα απταμερή είναι καλά δομημένο DNA ή RNA που έχουν υψηλή συγγένεια και εκλεκτικότητα για συγκεκριμένους στόχους καθώς και φυσικά ένζυμα, δείχνοντας έτσι ανώτερη στιβαρότητα σε εύθραυστα ένζυμα. Ήταν ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για θεραπεία και διάγνωση. Μέχρι τότε, σχεδόν για κάθε δεδομένο στόχο, η καλά ανεπτυγμένη in vitro επιλογή ήταν σε θέση να παράγει απταμερή. Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα οφέλη, τα ολιγονουκλεοτιδικά απταμερή προβλέπεται να είναι τα συστατικά βιοαισθητοποίησης της επόμενης γενιάς. Ένα εύκολο, οργανωμένο DNA που μοιάζει με φουρκέτα με ηλεκτροενεργή ετικέτα (φουρκέτα ηλεκτρονικού DNA) χρησιμοποιήθηκε από τον Fan και τους συναδέλφους ως το δομικό στοιχείο για τον καθορισμό συμβάντων υβριδισμού (Εικόνα 4).

Εικόνα 4. Κατασκευή και λειτουργία βιοαισθητήρα DNA

Το DNA που μοιάζει με φουρκέτα ήταν ένα απίστευτα συναρπαστικό απταμερές που αποτελεί τη βάση της ομοιογενούς αναγνώρισης υβριδισμού των φθορίζοντων «μοριακών φάρων». Η αλληλουχία DNA έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε απουσία στόχων, αυτός ο «φάρος» βρίσκεται στην κοντινή κατάσταση ενώ θα «ενεργοποιηθεί» όταν φτάσει στο συγκεκριμένο γονιδιακό στόχο. Η παρουσία του σχεδιασμού του βρόχου στελέχους στη δομή προσφέρει έναν διακόπτη on/off καθώς και μια αυστηρότητα για τη διαφοροποίηση έναντι της αναντιστοιχίας υβριδισμού μεμονωμένου DNA. Ένα θειολωμένο άκρο δίνει ένα κολλώδες άκρο στη χρυσή επιφάνεια αυτής της ηλεκτρονικής φουρκέτας DNA, ενώ μια ετικέτα σιδηροκενίου μεταδίδει ηλεκτρονικά σήματα στο άλλο άκρο. Η αρχική φουρκέτα εντοπίζει το σιδηροκένιο εγγύς προς την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, επιτρέποντας έτσι τη μεταφορά επιφανειακών ηλεκτρονίων. Μετά τον υβριδισμό, ο σχηματισμός της γραμμικής διπλής δομής διαταράσσει τη φουρκέτα και απομακρύνει το σιδηροκένιο και το ηλεκτρόδιο. Αυτή η σημαντική αλλαγή απόστασης (έως και μερικά nm) μπλοκάρει αποτελεσματικά τη διαμετακόμιση μεταφορά ηλεκτρονίων και οδηγεί στη μείωση των αντίστοιχων ηλεκτροχημικών σημάτων ρεύματος. Αυτή η στρατηγική προσφέρει την ευκαιρία να εντοπιστούν 10 στόχοι DNA pM. Το πιο σημαντικό, ένας τέτοιος σχεδιασμός εκμεταλλεύεται την ενσωμάτωση σε μια ενιαία δομή φουρκέτας περιορισμένης επιφάνειας το τμήμα σύλληψης (ακολουθία ανιχνευτή) και το τμήμα σηματοδότησης (ηλεκτροενεργά είδη). Σε αντίθεση με τους περισσότερους προηγουμένως προτεινόμενους αισθητήρες DNA στερεάς κατάστασης, αυτός ο σχεδιασμός είναι επομένως αποτελεσματικά χωρίς αντιδραστήριο, δηλαδή δεν απαιτείται εξωγενές αντιδραστήριο κατά τη διαδικασία αναγνώρισης εκτός από τους στόχους του DNA. Αυτό παρέχει τη βάση για την ανάπτυξη ενός φορητού, συνεχούς αναλυτή DNA που μπορεί να είναι χρήσιμος για ιατρικές και στρατιωτικές εφαρμογές.

Ένα μέσο για μεταφορά ηλεκτρονίων μεγάλου βεληνεκούς (ΕΤ) μέσω της στοίβαξης βάσης του προτάθηκε ως διπλή έλικα DNA. Παρόλο που αυτό το ζήτημα έχει συζητηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο Barton και οι συνεργάτες του έχουν αποδείξει ηλεκτροχημικά ότι τα καλά προσανατολισμένα φιλμ DNA ηλεκτροδίου χρυσού επιτρέπουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεγάλης εμβέλειας και ότι αυτό το ET είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στις διαταραχές στοίβαξης βάσεων, όπως οι αναντιστοιχίες. Διαπίστωσαν ότι οι ηλεκτροδραστικοί παρεμβολείς όπως το μπλε του μεθυλενίου (ΜΒ) θα μπορούσαν να μειωθούν αποτελεσματικά με ένα πλήρως αντιστοιχισμένο ηλεκτρόδιο με διπλή τροποποίηση DNA. Ωστόσο, η ύπαρξη μόνο μιας αναντιστοιχίας μετατρέπει το μέσο ET που μοιάζει με σύρμα σε μονωτικό, διαταράσσοντας εντελώς το ET μεταξύ του MB και του ηλεκτροδίου. Μέσω κυκλικών βολταμετρικών ή κουλομετρικών δοκιμασιών, που αποτελούν τη βάση ενός αισθητήρα ταχείας εξέτασης μετάλλαξης DNA, μια τέτοια διαφορά μπορεί να διαβαστεί εύκολα. Ο Μπάρτον και οι συνεργάτες του απέδειξαν επίσης ότι η ηλεκτροκατάλυση θα μπορούσε να βελτιώσει την ευαισθησία αυτής της στρατηγικής. Σε διάλυμα, η προσθήκη φερρικυανιδίου τραβά συνεχώς ηλεκτρόνια από ηλεκτροχημικά μειωμένη MB, ενισχύοντας τη ροή ηλεκτρονίων μέσω της διπλής έλικας του DNA. Αυτό βοηθά στην ανίχνευση ~ 108 μορίων DNA με ηλεκτρόδιο 30 μm. Έχουν επίσης αναπτύξει αισθητήρες βασισμένους στο DNA για την ανίχνευση πρωτεϊνών που δεσμεύουν το DNA παράλληλα με την ανίχνευση DNA. Ορισμένες πρωτεΐνες ή ένζυμα που δεσμεύουν το DNA πιστεύεται ότι αλληλεπιδρούν με τη στοίβαξη του ζεύγους βάσεων του DNA, μετατρέποντας τη διπλή έλικα του DNA από αποτελεσματικά σύρματα ΕΤ σε μονωτικά. Καθιέρωσαν έναν ευαίσθητο τρόπο ηλεκτρικής ανάλυσης μιας ποικιλίας πρωτεϊνών που δεσμεύουν το DNA με βάση τη συγκρίσιμη στρατηγική ανίχνευσης. Είναι σημαντικό ότι αυτοί οι αισθητήρες διακρίνουν επιτυχώς τις πρωτεΐνες που συνδέονται με το DNA, αλλά δεν διαταράσσουν τη στοίβαξη βάσεων. Αυτό σίγουρα επιβεβαιώνει ότι η διακοπή σήματος στη σύνδεση πρωτεΐνης οφείλεται στην αλλοίωση του μέσου ΕΤ που σχετίζεται με τη στοίβαξη βάσης.

Το μέλλον των κλινικών βιοαισθητήρων

Παρά την ταχεία βελτίωση στην ανάπτυξη βιοαισθητήρων, οι κλινικές εφαρμογές των βιοαισθητήρων είναι ακόμα ασυνήθιστες, με εξαίρεση το μόνιτορ γλυκόζης. Αυτό έρχεται σε άμεση αντίθεση με την κρίσιμη ανάγκη για δοκιμές σημείου φροντίδας σε μικρές κλινικές. Υποθέτουμε ότι οι παρακάτω προδιαγραφές είναι σχετικές. Πρώτον, υψηλή ευαισθησία: Η βελτίωση της ευαισθησίας είναι μια διαρκής προτεραιότητα στην ανάπτυξη βιοαισθητήρων. Είναι σαφές ότι το κριτήριο ευαισθησίας κυμαίνεται από περίπτωση σε περίπτωση. Για παράδειγμα, επειδή τα επίπεδα γλυκόζης είναι υψηλά στο αίμα, δεν χρειάζεται πολύ υψηλή ευαισθησία για την ανίχνευση γλυκόζης. Αυτό είναι βασικά μέρος του λόγου για τον οποίο οι μετρητές γλυκόζης ήταν επιτυχημένοι. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις, προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις της μοριακής διάγνωσης και της ανίχνευσης παθογόνων, είναι πολύ σημαντικό να δημιουργηθούν εξαιρετικά ευαίσθητοι βιοαισθητήρες με βέλτιστη ανίχνευση μορίων. Δεύτερον, υψηλή επιλεκτικότητα: Στην εφαρμογή βιοαισθητήρων, αυτό μπορεί να είναι ένα σημαντικό φράγμα. Οι περισσότεροι από τους βιοαισθητήρες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία λειτουργούν πολύ καλά σε εργαστήρια, αλλά σε πραγματικά δείγματα δοκιμών, μπορούν να αντιμετωπιστούν σειριακά προβλήματα. Ως αποτέλεσμα, για να αποφευχθεί η μη ειδική απορρόφηση επιφάνειας, είναι σημαντικό να καθιερωθούν νέες προσεγγίσεις για την τροποποίηση της επιφάνειας. Τρίτον, η πολυπλεξία είναι ζωτικής σημασίας για την εξοικονόμηση χρόνου ανάλυσης, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική για εργαστηριακές ή κλινικές δοκιμασίες. Είναι επομένως σημαντικό να δημιουργηθούν συστοιχίες ηλεκτροδίων υψηλής πυκνότητας καθώς και ηλεκτροχημικών οργάνων που μπορούν να διεξάγουν μεγάλο αριθμό δοκιμών ταυτόχρονα. Τέλος, για να αυξηθεί η φορητότητα, είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν μικροαισθητοποιημένοι βιοαισθητήρες, ικανοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις των δοκιμών πεδίου και σημείου φροντίδας. Πέμπτον, είναι σκόπιμο να ενσωματωθεί και να αυτοματοποιηθεί ιδιαίτερα ένας ιδανικός βιοαισθητήρας. Μια λύση σε αυτόν τον στόχο προσφέρεται από τις τρέχουσες τεχνολογίες εργαστηρίου σε τσιπ (μικρορευστολογία). Μπορούμε να περιμένουμε όλες αυτές τις δυνατότητες να ενσωματωθούν σε επιτυχημένους βιοαισθητήρες στο μέλλον και να εντοπίσουμε εύκολα μικρούς στόχους σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Σχέδια για Βιοτσίπ: Σχεδιασμός & Λειτουργία

Ο όρος «βιοτσίπ» έχει λάβει διάφορες έννοιες. Οποιαδήποτε συσκευή ή συστατικό που εισάγει βιολογικά υλικά, είτε εξάγεται από βιολογικά είδη είτε συντίθεται σε εργαστήριο σε στερεό υπόστρωμα, μπορεί να θεωρηθεί βιοτσίπ με την πιο γενική έννοια. Από πρακτική άποψη, ωστόσο, τόσο οι μικρογραφίες, συνήθως σε μορφή μικροσυστοιχιών, όσο και η δυνατότητα μαζικής παραγωγής χαμηλού κόστους συχνά εμπλέκονται σε βιοτσίπ. Το ηλεκτρονικό τσιπ μύτης ή τεχνητής μύτης, η ηλεκτρονική γλώσσα, το τσιπ αλυσιδωτής αντίδρασης Πολυμεράσης, το τσιπ μικροσυστοιχιών DNA (τσιπ γονιδίων), το τσιπ πρωτεΐνης και το βιοχημικό εργαστήριο σε τσιπ είναι μερικά παραδείγματα που πληρούν αυτά τα προσόντα. Στο τσιπ γονιδίου και το τσιπ πρωτεΐνης, έχει γίνει η πιο δυναμική έρευνα βιοτσίπ.

Έχει δοθεί μεγάλη προσοχή, ιδίως, στα βιοτσίπ που ενσωματώνουν τη συμβατική βιοτεχνολογία με την επεξεργασία ημιαγωγών, τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS), την οπτικοηλεκτρονική και την απόκτηση και επεξεργασία ψηφιακού σήματος και εικόνας.

Χιλιάδες γονίδια και τα παράγωγά τους (δηλαδή, το RNA και οι πρωτεΐνες) σε έναν δεδομένο ζωντανό οργανισμό υποτίθεται ότι ενεργούν με περίπλοκο και συντονισμένο τρόπο που δημιουργεί το μυστήριο της ζωής. Ωστόσο, οι παραδοσιακές μέθοδοι στη μοριακή βιολογία συνήθως λειτουργούν με βάση “ένα γονίδιο σε ένα πείραμα”, το οποίο υποθέτει ότι η απόδοση είναι πολύ περιορισμένη και είναι δύσκολο να επιτευχθεί η “συνολική εικόνα” της γονιδιακής λειτουργίας. Μια νέα τεχνολογία, που ονομάζεται μικροσυστοιχία DNA, έχει κερδίσει μεγάλη προσοχή μεταξύ των βιολόγων τις τελευταίες δεκαετίες. Αυτή η τεχνολογία στοχεύει στη μέτρηση ολόκληρου του γονιδιώματος σε ένα μόνο τσιπ, έτσι ώστε, εν τω μεταξύ, οι ερευνητές να μπορούν να έχουν καλύτερη εικόνα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ χιλιάδων γονιδίων.

Ένα γονίδιο ή ένα τσιπ DNA αντιστοιχεί σε μια δισδιάστατη σειρά μικρών κυττάρων αντίδρασης (100 x 100 μm το καθένα) που παράγονται χρησιμοποιώντας ρομποτική υψηλής ταχύτητας σε ένα στερεό υπόστρωμα. Μια γκοφρέτα πυριτίου, ένα λεπτό φύλλο γυαλιού, πλαστικού ή μια νάιλον μεμβράνη θα μπορούσαν να είναι το στερεό υπόστρωμα. Τρισεκατομμύρια πολυμερικά μόρια από μια συγκεκριμένη αλληλουχία θραυσμάτων DNA μονόκλωνου ακινητοποιούνται σε κάθε κύτταρο αντίδρασης (Εικόνα 5).

Εικόνα 5. Μια σχηματική απεικόνιση ενός τσιπ γονιδίων

Τα θραύσματα DNA μπορεί να είναι είτε σύντομες (περίπου 20 έως 25) ακολουθίες βάσεων (Α, Τ, G και C) είτε μεγαλύτερες συμπληρωματικές αλυσίδες DNA (cDNA). Σε κάθε κελί, η μοναδική ακολουθία βάσεων (π.χ. CTATGC …) προεπιλέγεται ή διαμορφώνεται ανάλογα με την αναμενόμενη χρήση. Οι ανιχνευτές ονομάζονται επίσης αναγνωρισμένες αλληλουχίες τεμαχίων DNA μονόκλωνου ακινητοποιημένου στο υπόστρωμα. Θραύσματα διπλού κλώνου DNA σχηματίζονται όταν άγνωστα θραύσματα δειγμάτων μονόκλωνου DNA, που ονομάζονται στόχος, αντιδρούν (ή υβριδοποιούνται) με τους ανιχνευτές στο τσιπ, όπου ο στόχος και ο ανιχνευτής είναι συμπληρωματικοί σύμφωνα με τον κανόνα σύζευξης βάσεων (Α με Τ, και Ζ σε συνδυασμό με Γ). Τα δείγματα-στόχοι επισημαίνονται συχνά με ετικέτες, όπως φθορίζοντα, βαφές ή μόρια ραδιοϊσοτόπων, για να διευκολύνουν τη διάγνωση ή την ανάλυση του υβριδοποιημένου τσιπ. Καθένα φέρει τη δική του διακριτή ετικέτα όταν οι στόχοι περιέχουν περισσότερους από έναν τύπους δείγματος. Αυτός ο τύπος τσιπ μικροσυστοιχιών DNA παρέχει μια πλατφόρμα όπου, με βάση το μέγεθος της συστοιχίας, ο άγνωστος στόχος ή οι στόχοι μπορούν θεωρητικά να οριστούν με πολύ υψηλή ταχύτητα και υψηλή απόδοση, αντιστοιχίζοντας τα συστατικά που εμπλέκονται στην έρευνα και την ανάπτυξη της τεχνολογίας βιοτσίπ με δεκάδες χιλιάδες διαφορετικοί τύποι ανιχνευτών μέσω υβριδισμού παράλληλα, και οι σχετικοί τεχνικοί κλάδοι φαίνονται στην Εικόνα 6. Βασικά, η τεχνολογία βιοχαρτών είναι διεπιστημονική. Είναι σημαντικό οι επιστήμονες και οι μηχανικοί από διαφορετικούς κλάδους να συνεργάζονται για να ωθήσουν αυτή τη νέα τεχνολογία από το εργαστηριακό ενδιαφέρον σε πρακτικές συσκευές και συστήματα.

Εικόνα 6. Τα συστατικά στοιχεία και οι σχετικοί τεχνικοί κλάδοι που εμπλέκονται στην έρευνα & ανάπτυξη της τεχνολογίας βιοτσίπ

Μικροσυστοιχία DNA

Όσον αφορά την ιδιότητα της συστοιχίας αλληλουχίας DNA γνωστής ταυτότητας, υπάρχουν δύο παραλλαγές της τεχνολογίας μικροσυστοιχιών DNA:

Τύπος Ι: Το cDNA ανιχνευτή (μήκους 500 ~ 5.000 βάσεων) ακινητοποιείται χρησιμοποιώντας κηλίδες ρομπότ σε μια στερεή επιφάνεια όπως το γυαλί και εκτίθεται είτε ξεχωριστά είτε σε μίγμα σε ένα σύνολο στόχων. Αυτή η στρατηγική, «παραδοσιακά» αναφέρεται ως μικροσυστοιχία DNA, είναι σε μεγάλο βαθμό γνωστό ότι αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Τύπος II: in situ (on-chip) ή με συμβατική σύνθεση που συνοδεύεται από ακινητοποίηση on-chip, συντίθεται μια σειρά ανιχνευτών ολιγονουκλεοτιδίου (20 ~ 80-μερών ολιγο) ή πεπτιδικού νουκλεϊκού οξέος (PNA). Ο πίνακας εκτίθεται σε υβριδισμένο, επισημασμένο δείγμα DNA και καθορίζει την ταυτότητα/αφθονία συμπληρωματικών αλληλουχιών. Αυτή η μέθοδος, που ονομάζεται «ιστορικά» τσιπ DNA, καθιερώθηκε στην Affymetrix INC., η οποία πωλεί τα φωτολιθογραφικά κατασκευασμένα προϊόντα της με το εμπορικό σήμα Genechip. Τα τσιπ με βάση τα ολιγονουκλεοτίδια αναπτύσσονται από πολλές εταιρείες χρησιμοποιώντας εναλλακτικές τεχνολογίες σύνθεσης ή εναπόθεσης επί τόπου.

Ανάλογα με τον τύπο του μορίου που έχει ακινητοποιηθεί, το βιοτσίπ κατασκευάζεται κυρίως σε δύο μορφές. Οι συστοιχίες CDNA αναφέρονται επίσης ως βιοτσίπ που περιέχουν προϊόντα PCR 200 ζευγών βάσεων σε μέγεθος 2ΚΒ ακινητοποιημένα κατά μήκος του μορίου με ομοιοπολική διασταύρωση με την επιφάνεια της συστοιχίας. Εναλλακτικά, ολιγονουκλεοτιδικοί ανιχνευτές μπορεί είτε να συντίθενται επί τόπου στη συστοιχία, είτε να ορίζονται ομοιοπολικοί σύνδεσμοι προς τα άκρα με προ-συνθετικούς ολίγους. Η μηχανική Genechip περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά μέρη, όπως κατασκευή, προετοιμασία δείγματος και υβριδοποίηση της ακολουθίας στόχου, ανίχνευση αποτελεσμάτων υβριδισμού, σχεδιασμός του ανιχνευτή ολιγονουκλεοτιδίου και ανάλυση εικόνας υβριδισμού και διάφορες εφαρμογές, όπως φαίνεται στην Εικόνα 7.

Εικόνα 7. Αρκετές σημαντικές πτυχές που σχετίζονται με την τεχνολογία Genechip

Πρώτον, σύμφωνα με έναν συγκεκριμένο στόχο, πολλές σχετικές αλληλουχίες γονιδίων θα επιλεγούν από τη βάση δεδομένων DNA (μονός νουκλεϊκός πολυμορφισμός για συγκεκριμένα γονίδια, διαφορική έκφραση για μια δεδομένη ομάδα γονιδίων ή αναγνώριση μετάλλαξης). Καθορίζοντας την αλληλουχία και το μήκος κάθε ανιχνευτή και την ακριβή θέση του στο τσιπ, θα σχεδιαστεί μια σειρά μοναδικών ολιγονουκλεοτιδικών ανιχνευτών με βάση τις επιλεγμένες αλληλουχίες. Με τη μέθοδο κηλίδωσης ή τη σύνθεση επί του τσιπ, μπορεί να πραγματοποιηθεί η σύνθεση της μικροσυστοιχίας DNA. Τα γονίδια -στόχοι είναι συνήθως απαραίτητα για να ενισχυθεί και να επισημανθεί ο φθορισμός. Επιλογή των κατάλληλων πρώτων PCR, βελτιστοποίηση των συνθηκών ενίσχυσης και υβριδισμού θα χρειαστεί στις περισσότερες περιπτώσεις. Για τα αποτελέσματα του υβριδισμού υπάρχουν πολλές διαφορετικές στρατηγικές ανίχνευσης. Μια παραδοσιακή προσέγγιση είναι η ανίχνευση φθορισμού. Για την επεξεργασία μιας τόσο μεγάλης ποσότητας που λαμβάνεται από ένα γενικό τσιπ, απαιτείται ανάλυση δεδομένων με βάση τις φθορίζουσες εικόνες και τη διαμόρφωση της βάσης δεδομένων. Η χρήση προϊόντων PCR που αντιστοιχούν στα γονίδια ως μόρια ανιχνευτή είναι μια κοινή πλατφόρμα για την παρασκευή μικροσυστοιχιών. Βιολογικές πηγές βιβλιοθηκών cDNA προσφέρουν ένα αποτελεσματικό πρότυπο για την ενίσχυση PCR των ανιχνευτών. Αυτή η πλατφόρμα αναφέρεται επομένως ως συστοιχίες cDNA.

Η χρήση ολιγονουκλεοτιδικών ανιχνευτών αντί για προϊόντα PCR έχει πολλά οφέλη. Πρώτον, έχουν συνήθως παρόμοιο μήκος και μπορούν να δημιουργηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν παρόμοιες ιδιότητες υβριδισμού. Δεύτερον, μπορούν να διαμορφωθούν ώστε να υβριδοποιούνται έναντι της συγκεκριμένης περιοχής γονιδίου. Το προϊόν PCR επιτρέπει επίσης τη διασταυρούμενη υβριδοποίηση μεταξύ ομόλογων γονιδίων που ενοχλούν τα μέλη του προφίλ γονιδιακής έκφρασης της ίδιας γονιδιακής οικογένειας. Επιπλέον, η ανάγκη για ενίσχυση PCR των μορίων ανιχνευτή εξαλείφεται από συστοιχίες ολιγονουκλεοτιδίων και μειώνει τον κίνδυνο σφάλματος λόγω χειρισμού κλώνων και μόλυνσης κατά τη μεταφορά.

Μικρορευστό τσιπ

Τις τελευταίες δεκαετίες, η μικρορευστολογική τεχνολογία έχει αναπτυχθεί γρήγορα και παρέχει πολυάριθμες εφαρμογές στις επιστήμες της ζωής. Χάρη στα ξεχωριστά οφέλη που προσφέρει η μικρογραφία του συστήματος, προέκυψε η επανάσταση των μικρορευστών, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής αναλυτικής απόδοσης, της αυξημένης ευαισθησίας, της βελτιωμένης αναλυτικής απόδοσης, της γρήγορης παραλληλοποίησης πολυπλεξίας, της ικανότητας διαχείρισης και επεξεργασίας μειωμένων όγκων αντιδραστηρίων και δραματικά μειωμένων αποτυπωμάτων οργάνων.

Τα μικρορευστά θα μπορούσαν ταυτόχρονα να προσφέρουν αναλυτική απόδοση και υψηλή ικανότητα απόδοσης ως τεχνολογία μικρογραφίας, χωρίς την έλλειψη ακρίβειας και αυτοματισμού. Η τεχνολογία μικρορευστοποίησης δεν είναι μόνο ένα ισχυρό εργαλείο για τον γρήγορο έλεγχο και τη μελέτη της ανάπτυξης φαρμάκων κατά τη διαδικασία εφαρμογής του φαρμάκου, αλλά και για τις μικροσκοπικές συσκευές της που μειώνουν το κόστος και την κατανάλωση αντιδραστηρίων.

Έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην ανάπτυξη εξαρτημάτων και συστημάτων ελέγχου φαρμάκων που βασίζονται σε μικρορευστά τα τελευταία χρόνια. Για τον έλεγχο φαρμάκων, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι μικρορευστοποιημένων τσιπ για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του ελέγχου και τη μείωση του κόστους. Αρκετοί συνήθεις τύποι τεχνολογίας τσιπ περιγράφονται στις ακόλουθες παραγράφους.

Εικόνα 8. Εφαρμογή μικρορευστοποιημένου τσιπ στον έλεγχο φαρμάκων.

Μικρορευστικά σταγονιδίων – Για να πραγματοποιηθούν πειράματα σε συνεχή ή τμηματική ροή, η μικρορευστολογική τεχνολογία σταγονιδίων χρησιμοποιεί σταγονίδια υγρού διαμερισμένα από ένα μη αναμίξιμο ρευστό ως νανολίτρο στα χωριστά δοχεία αντίδρασης. Τέτοιες μέθοδοι δείχνουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως μειωμένη χρήση δείγματος, βελτιωμένη ταχύτητα αντίδρασης και αυξημένη απόδοση και αναπαραγωγιμότητα, χειρισμός απίστευτα μικρών όγκων με ισχυρό έλεγχο σύνθεσης.

Με βάση την διαδοχική τεχνική της σειράς σταγονιδίων, οι μικρορευστικές μέθοδοι σταγονιδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο συνδυασμού φαρμάκων (Εικόνα 8Α), για τον έλεγχο διαφόρων συνδυασμών δοσολογίας και μήκη χορήγησης και για τη βελτίωση του βέλτιστου σχήματος δοσολογίας ελάχιστης κατανάλωσης που είναι σημαντικό για καταστάσεις συνδυασμένων ασθενειών.

Όργανο σε τσιπ-Η λεπτομερής ρύθμιση της δομής και της ροής μικροκλίμακας καθιστά δυνατή την ακριβή μοντελοποίηση των δομών μικροκλίμακας του ιστού του οργάνου. Τα όργανα στα τσιπ είναι βιομιμητικά συστήματα που είναι μικρο-κατασκευασμένα και αντιπροσωπεύουν βασικές λειτουργικές μονάδες ζωντανών ανθρώπινων οργάνων. Οι λειτουργίες πολλών οργάνων και ιστών, όπως το ήπαρ, τα νεφρά, οι πνεύμονες και τα έντερα, έχουν αναπαραχθεί ως μοντέλα in vitro μέχρι σήμερα. Αυτά τα συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως μοντέλα in vitro που επιτρέπουν την προσομοίωση και τη φαρμακολογικά διαμόρφωση σύνθετων βιολογικών διεργασιών.

Το τσιπ οργάνων προσομοιώνει τις βασικές διαδικασίες του ανθρώπινου σώματος, χρησιμοποιώντας έναν αριθμό κυττάρων για να δημιουργήσει ένα βιομιμητικό τσιπ με παρόμοιες φυσιολογικές λειτουργίες στη μοναδική δομή του τσιπ, το οποίο είναι συγκρίσιμο με το πραγματικό εξωτερικό περιβάλλον της νόσου από το τυπικό μοντέλο καλλιέργειας ενός κυττάρου.

Προκειμένου να αναπαραχθεί η περίπλοκη μικροαρχιτεκτονική του καρκινικού ιστού, έχει δημιουργηθεί ένα μικροσύστημα που επιτρέπει τη συν-καλλιέργεια σφαιροειδών όγκων του μαστού με γειτονικά κύτταρα σε ένα διαμερισμένο τρισδιάστατο μικρορευστό σύστημα που βοηθά στη δημιουργία της πλατφόρμας ανίχνευσης φαρμάκων κατά του καρκίνου του μαστού (Εικόνα 8Β). Για τη μελέτη της μετανάστευσης καρκινικών κυττάρων και της ανίχνευσης αντικαρκινικών φαρμάκων, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η συν-καλλιέργεια πολλών ιστών με ένα μικρορευστό σύστημα.

Άλλα μικρορευστοποιημένα τσιπ για διαλογή φαρμάκων-Υπάρχουν πολλές άλλες τεχνολογίες που εφαρμόζονται σε μικρορευστοποιημένα τσιπ για τον έλεγχο φαρμάκων, εκτός από τις προαναφερθείσες υπάρχουσες μεθόδους, οι οποίες επεκτείνουν τις ιδέες των ερευνητών. Η πιο σημαντική και ολοκληρωμένη πτυχή της ανάπτυξης φαρμάκων στις περισσότερες φαρμακευτικές και διάφορες βιοτεχνολογικές βιομηχανίες σε όλο τον κόσμο ήταν ένα εξαιρετικό σύστημα HTDS.

Με τη χρήση συστημάτων μικρορευστοειδούς συστοιχίας ανοικτής πρόσβασης και τσιπ μικροσυστοιχιών κυττάρων, μπορούν να ελεγχθούν διάφορες συγκεντρώσεις και συνδυασμοί φαρμάκων. Διάφορες διαμορφώσεις και συστοιχίες μικρών θαλάμων καλλιέργειας μπορεί να δημιουργηθούν από τον διαφορετικό σχεδιασμό του τσιπ. Οι γεννήτριες κλίσης συγκέντρωσης μπορούν να παρέχουν μια αποτελεσματική κλίση υγρής συγκέντρωσης και αυτές οι συσκευές έχουν εφαρμοστεί και συνδυαστεί με μικρορευστολογικές τεχνολογίες από διάφορες ερευνητικές ομάδες για τη βελτιστοποίηση των συστημάτων HTDS. Οι διαχυτικοί μικρορευστοποιητές στο Σχήμα 8C θα μπορούσαν επίσης να αναγνωρίσουν ένα πλήρως αυτόματο HTDS.

Οι πλατφόρμες κυτταρικών συστοιχιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας υλικό πολυδιμεθυλοσιλοξανίου (PDMS) σε ορισμένα μικρορευστικά κανάλια για διαλογή φαρμάκων. Η δομή των τσιπς, όμως, είναι δύσκολη και έχει κάποια μειονεκτήματα, όπως ακριβά καλούπια πυριτίου και βιομοριακή απορρόφηση. Ως φυσική εξωκυτταρική μήτρα (ECM), η υδρογέλη πολυ (αιθυλενογλυκόλης) διακρυλικής (PEGDA) έχει πανομοιότυπες μηχανικές ιδιότητες και περιεκτικότητα σε νερό. Οι μικρορευστές υδρογέλες PEGDA έχουν χρησιμοποιηθεί συνήθως για την ενθυλάκωση των κυττάρων και είναι διαπερατές σε ενώσεις όπως το νερό, τα βιομόρια και τα χημικά. Προκειμένου να ερευνηθεί η συνδυαστική θεραπευτική επίδραση δύο φαρμάκων, χρησιμοποιήθηκαν μικρορευστικές συσκευές κατασκευασμένες από αυτούς τους τύπους υλικών και σε συνδυασμό με τεχνολογίες τρισδιάστατης καλλιέργειας εγκεφαλικών κυττάρων (Εικόνα 8D).

Η γοητεία του μικρορευστού τσιπ είναι ότι για να εκτελεί διάφορες λειτουργίες, μπορεί να έχει πολλαπλές σχεδιασμένες δομές και μπορεί να συνδυαστεί για να επεκτείνει το εύρος εφαρμογής του με διαφορετικές συσκευές και εξοπλισμό δοκιμών. Ωστόσο, απαιτούνται σημαντικές προσπάθειες σχεδιασμού, κατασκευής και βελτιστοποίησης. Κάθε μοντέλο έχει τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά. Χρησιμοποιείται όχι μόνο για τον έλεγχο φαρμάκων, αλλά και για τη δοκιμή φαρμάκων.

Μικροσυστοιχία πρωτεϊνών

Στην έρευνα των πρωτεϊνών, οι μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών είναι χρήσιμα εργαλεία με αμερόληπτο τρόπο, υψηλής απόδοσης, καθώς επιτρέπουν παράλληλα να χαρακτηρίζονται έως και χιλιάδες ξεχωριστά καθαρισμένες πρωτεΐνες. Η προσαρμοστικότητα αυτής της τεχνολογίας κατέστησε δυνατή τη χρήση σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης των μοριακών αλληλεπιδράσεων σε επίπεδο πρωτεώματος, της ανάλυσης μετα-μεταφραστικών αλλαγών, της ανακάλυψης νέων στόχων φαρμάκων και της αξιολόγησης των αλληλεπιδράσεων παθογόνου-ξενιστή. Επιπλέον η τεχνολογία έχει ήδη αποδειχθεί ότι είναι αποτελεσματική στη διαμόρφωση της ιδιαιτερότητας των αντισωμάτων καθώς και στον εντοπισμό νέων βιοδεικτών για αυτοάνοσα νοσήματα και καρκίνους ειδικότερα.

Οι πρωτεΐνες είναι πολύπλοκα βιομόρια με μεγάλο φάσμα δομών και λειτουργιών και ως εκ τούτου, η μελέτη τους με τρόπο υψηλής απόδοσης αποτελεί πρόκληση. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι μικροσυστοιχιών πρωτεϊνών: λειτουργική, αναλυτική και αντίστροφη φάση. Οι λειτουργικές μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών συναρμολογούνται με υψηλό τρόπο με πρωτεΐνες καθαρισμένες/συντεθειμένες, επιτρέποντας σε εκατοντάδες και ακόμη και χιλιάδες διαφορετικές πρωτεΐνες να εξεταστούν παράλληλα με τις βιοχημικές τους ιδιότητες. Προκειμένου να ανιχνευθούν ή να μετρηθούν σύνθετα βιολογικά δείγματα, οι αναλυτικές μικροσυστοιχίες πρωτεΐνης χρησιμοποιούν αντιδραστήρια συγγένειας ακινητοποιημένα στη συστοιχία. Τέλος, σύνθετα βιολογικά δείγματα ακινητοποιημένα στη συστοιχία χρησιμοποιούνται από μικροσυστοιχίες πρωτεΐνης αντίστροφης φάσης που χρησιμοποιούν αντιδραστήρια συγγένειας για αναγνώριση.

Οι λειτουργικές μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών είναι πιο ικανές να εντοπίσουν αδύναμες αλληλεπιδράσεις, πιο ευέλικτες για πρωτεΐνες χαμηλής αφθονίας και πιο ικανές να αναλύσουν ακατέργαστα δείγματα όπως ορός, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, όπως η φασματομετρία μάζας. Όσον αφορά τις διαφορές στην κάλυψη πρωτεϊνών, τα μήκη πρωτεΐνης και τους αγωγούς παραγωγής, αρκετοί διαφορετικοί τύποι λειτουργικών μικροσυστοιχιών πρωτεϊνών έχουν παραχθεί μέχρι σήμερα.

Ανάπτυξη της Μικροσυστοιχίας Λειτουργικής Πρωτεΐνης – Το σύνολο των πρωτεϊνών που μπορούν να εκφραστούν από ένα γονιδίωμα είναι το πρωτέωμα. Συνήθως, η δημιουργία μιας καθαρισμένης μικροσυστοιχίας πρωτεϊνών απαιτεί τη συναρμολόγηση ενός συνόλου ανοικτών πλαισίων ανάγνωσης (ORF) που κλωνοποιούνται σε έναν φορέα έκφρασης, κωδικοποιημένη έκφραση πρωτεΐνης σε κύτταρα, εξατομικευμένο καθαρισμό πρωτεϊνών υψηλής απόδοσης και ακινητοποίηση πρωτεϊνών σε μικροσυστοιχία Το

Εφαρμογή μικροσυστοιχιών πρωτεϊνών ζυμομυκήτων-Για τη δημιουργία προφίλ μοριακών αλληλεπιδράσεων σε ολόκληρο το πρωτεώμα, οι λειτουργικές μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών, ειδικά οι καθαρισμένες μικροσυστοιχίες πρωτεϊνών, είναι χρήσιμες και επιτρέπουν λεπτομερή, αμερόληπτο έλεγχο. Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει μικροσυστοιχίες πρωτεΐνης σε θεμελιώδη έρευνα για να μελετήσουν αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης, αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-λιπιδίων, αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-DNA, πρωτεΐνη-κύτταρο/λύματα, σύνδεση μικρών μορίων, αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-RNA και PTMs, όπως ακετυλίωση, SUMOylation, γλυκοζυλίωση, πανταχού παρούσα, φωσφορυλίωση και μεθυλίωση (Εικόνα 9Α-9G). Συνοψίζουμε αντιπροσωπευτικές μελέτες στον Πίνακα Ι με βάση τις εφαρμογές έρευνας που φαίνονται στην Εικόνα 9.

Εικόνα 9. Εφαρμογή Μικροσυστοιχιών Λειτουργικής Πρωτεΐνης

Εφαρμογές βιοτσίπ

Οι πιο αναδυόμενες εφαρμογές βιοτσίπ περιλαμβάνονται στον Πίνακα 1.
Βιοτσίπ στα τρόφιμα Βιοτσίπ που ανιχνεύει γενετικά τροποποιημένους οργανισμούς (gmo’s) στα τρόφιμα.
Διαγνωστικά βιοτσίπ Βιοτσίπ DNA που φέρνει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο το ιατρικό επάγγελμα εκτελεί εξετάσεις στο αίμα.
Βιοτσίπ στην επιδημία φυματίωσης Η τεχνολογία βιοτσίπ αναμένεται να βοηθήσει στην καταπολέμηση της νέας ποικιλίας ανθεκτικών στα φάρμακα στελεχών της νόσου.
Βιοτσίπ στον καρκίνο Η τεχνολογία τσιπ βιοσένσορα παρέχει γρήγορη και εύκολη πρόσβαση σε κρίσιμες πληροφορίες σχετικά με τη βλάβη του DNA από ενώσεις που παράγουν καρκίνο και βοηθά στην έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του παχέος εντέρου.
Βιοτσίπ στην ανάπτυξη φαρμάκων Τσιπ DNA που βρίσκει γενετικές διαφορές μεταξύ των ατόμων που ανταποκρίνονται σε ένα φάρμακο και εκείνων που δεν το κάνουν, ξεκινώντας από τη Φάση ΙΙ ή από το μεσαίο στάδιο, κλινικές δοκιμές.

Test: LO3 Αρχάριο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

  • 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.

„Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ για βιώσιμο μέλλον “

Προχωρημένο επίπεδο

Ο τομέας της συνθετικής βιολογίας έχει γιγαντωθεί την τελευταία δεκαετία, έχοντας μεγάλη επιρροή σε τομείς όπως η μεταβολική μηχανική, η μηχανική πρωτεϊνών, η ψηφιακή βιολογία και η μηχανική ολόκληρου του γονιδιώματος.

Περιεχόμενα

Τεχνολογίες Βιοαισθητήρων & Βιοτσίπ: Συμμετοχή στο μελλοντικό βιώσιμο μέλλον

Βιοαισθητήρες & βιοτσίπ: πρόοδοι στην ιατρική διάγνωση

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ που εφαρμόζονται στα τρόφιμα και τη γεωργία

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ για παρακολούθηση του περιβάλλοντος

Test: LO3 Προχωρημένο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

Τεχνολογίες Βιοαισθητήρων & Βιοτσίπ: Συμμετοχή στο μελλοντικό βιώσιμο μέλλον

Βιοαισθητήρες & βιοτσίπ: πρόοδοι στην ιατρική διάγνωση

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ που εφαρμόζονται στα τρόφιμα και τη γεωργία

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ για παρακολούθηση του περιβάλλοντος

Test: LO3 Προχωρημένο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

 

Τεχνολογίες Βιοαισθητήρων & Βιοτσίπ: Συμμετοχή στο μελλοντικό βιώσιμο μέλλον

Ο τομέας της συνθετικής βιολογίας έχει γιγαντωθεί την τελευταία δεκαετία, έχοντας μεγάλη επιρροή σε τομείς όπως η μεταβολική μηχανική, η μηχανική πρωτεϊνών, η ψηφιακή βιολογία και η μηχανική ολόκληρου του γονιδιώματος. Στο πλαίσιο επαναληπτικών κύκλων ανάπτυξης “σχεδιασμός-κατασκευή-δοκιμή”, έχει πραγματοποιηθεί ένα σημαντικό μέρος της καινοτομίας συνθετικής βιολογίας. Στον τομέα της συνθετικής βιολογίας, η πρόοδος μπορεί να συσχετιστεί με καινοτομίες σε κάθε μία από τις διαδικασίες «σχεδιασμού», «κατασκευής» και «δοκιμής». Για παράδειγμα, έχει γίνει μια σημαντική ώθηση για την τυποποίηση στοιχείων της συνθετικής βιολογίας, με σημαντική προσοχή που δίνεται στην αρθρωτότητα και τα στοιχεία “plug and play”. Αυτή η διαμόρφωση, μαζί με την επιταχυνόμενη πρόοδο στη βιολογία των συστημάτων, επέτρεψε στο στάδιο του «σχεδιασμού» να γίνει λιγότερο χρονοβόρο και λιγότερο εξαρτημένο από την προηγμένη γνώση. Τα τελευταία χρόνια, το κόστος της αλληλουχίας και της σύνθεσης του DNA έχει επίσης μειωθεί δραματικά, επιτρέποντας τη σύνθεση φθηνών μεγάλων κατασκευών. Στη φάση της «κατασκευής», αυτό διευκόλυνε μια ταχεία βελτίωση, βοηθώντας τους ερευνητές να διερευνήσουν ένα μεγαλύτερο ποσοστό του χώρου του βιολογικού διαλύματος. Τέλος, στο στάδιο της «δοκιμαστικής» συνθετικής βιολογίας, ο προσυμπτωματικός έλεγχος υψηλής απόδοσης έχει γίνει επίσης ένα σημείο εστίασης. Το αυξημένο δυναμικό “σχεδίασης” και “κατασκευής” συνέβαλε στην αυξημένη ζήτηση επιτυχίας στην εκτίμηση της πληθώρας νέων σχεδίων. Με τη σειρά του, αυτό έγινε με την ενσωμάτωση ρομπότ και ανάλυσης υψηλής απόδοσης στο εργαστηριακό περιβάλλον, στο οποίο νέα μοντέλα μπορούν να αξιολογηθούν σε επίπεδο που δεν είναι εφικτό για τους ερευνητές.

Οι βιοαισθητήρες αντιπροσωπεύουν μια πρωτοποριακή αναδυόμενη τεχνολογία για τον έλεγχο υψηλής απόδοσης που μπορεί να εφαρμοστεί. Πιο συγκεκριμένα, ταξινομείται ως αναλυτικό εργαλείο αποτελούμενο από βιολογικά συστατικά που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και τη δημιουργία σήματος για την παρουσία ενός υποκαταστάτη -στόχου. Η συνθετική βιολογία βρίσκεται στην πρώτη γραμμή των βιοαισθητήρων, τόσο ως εργαλείο για διαλογή υψηλής απόδοσης, όσο και ως άμεσο αποτέλεσμα εξελίξεων στον ίδιο τον τομέα της συνθετικής βιολογίας. Επιπλέον, λόγω της απαράμιλλης ιδιαιτερότητας και ευαισθησίας που παρέχουν τα βιολογικά μέρη σε σχέση με τις συμβατικές αναλυτικές μεθόδους, οι βιοαισθητήρες έχουν αποκτήσει εκτεταμένο ενδιαφέρον ως εναλλακτικές λύσεις για την παραδοσιακή ανάλυση.

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή βιοαισθητήρων είναι μια πολυεπιστημονική προσπάθεια και μπορεί να περιλαμβάνει εξειδίκευση σε τομείς όπως η πρωτεϊνική μηχανική, η μοριακή βιολογία, η χημεία συγγένειας, η μοριακή δυναμική του νουκλεϊκού οξέος, οι επιστήμες των υλικών και η νανοτεχνολογία. Οι βιοαισθητήρες διασυνδέονται με έναν υποκαταστάτη -στόχο στο πιο απλό τους στάδιο, υφίστανται κάποιο είδος τροποποίησης και παράγουν σήμα. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία πιθανών διαμορφώσεων σε όλα τα μέρη αυτής της διαδικασίας. Οι προσδέτες -στόχοι κυμαίνονται από μεμονωμένα άτομα όπως το ασβέστιο, έως ολόκληρες πρωτεΐνες όπως η θρομβίνη, σε όλη τη διαδρομή. Διαδικασίες τόσο διαφορετικές όσο η ενζυματική δραστηριότητα, ο φθορισμός, η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και η μεταγραφική δραστηριότητα περιλαμβάνουν σήματα εξόδου. Οι μηχανισμοί που μετατρέπουν την αναγνώριση συνδέτη σε λειτουργικά σήματα είναι εξίσου διαφορετικοί.

Στον τομέα της ανάλυσης, οι βιοαισθητήρες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός. Προκειμένου να απομακρυνθούν τα αναλυτικά στοιχεία από αμιγώς πλαίσια που βασίζονται στη φυσική ή τη χημεία, έχει ξεκινήσει η ενσωμάτωση βιολογικών συστατικών στην αισθητηριακή διάγνωση. Αυτό επέτρεψε αναλυτικές λειτουργίες που δεν είναι καλά προσαρμοσμένες στις συμβατικές μεθόδους για τη διεξαγωγή μιας τεράστιας ποικιλίας και ειδικότητας των βιολογικών συστατικών. Οι θεωρητικές και αποδεδειγμένες εφαρμογές βιοαισθητήρων καλύπτουν ένα σημαντικό εύρος της ανθρώπινης κοινωνίας και δραστηριότητας. Οι εφαρμογές βιοαισθητήρων ομαδοποιούνται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με την κλίμακα μέτρησής τους.

  • Ομαδικά Διαγνωστικά: Περιβαλλοντικές, Γεωργικές και Βιομηχανικές Εφαρμογές
  • Διαγνωστικά σημεία χρήσης: Ιατρικές εφαρμογές και εφαρμογές ασφαλείας
  • Διαγνωστικά με ένα κύτταρο: Εφαρμογές μεταβολικής μηχανικής και συνθετικής βιολογίας

Βιοαισθητήρες & βιοτσίπ: πρόοδοι στην ιατρική διάγνωση

Οι βιοαισθητήρες αποτελούνται από έναν βιοκαταλύτη που μπορεί να αναγνωρίσει ένα βιολογικό στοιχείο και έναν μετατροπέα που μπορεί να μετατρέψει την εμφάνιση του καταλύτη και του συνδυασμού βιολογικών στοιχείων σε μετρήσιμη παράμετρο.

Ο βιοκαταλύτης μπορεί να είναι βιομόρια όπως ένζυμα, DNA, RNA, μεταβολίτες, κύτταρα, ολιγονουκλεοτίδια κ.λπ., και ηλεκτροχημικοί, θερμιδομετρικοί, οπτικοί, ακουστικοί, πιεζοηλεκτρικοί, κ.λπ. μετατροπείς. Οι βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούν ακινητοποιημένα κύτταρα, ένζυμα και νουκλεϊκά οξέα έχουν μπει στο πεδίο τα τελευταία χρόνια στη διάγνωση ασθενειών. Για τους μηχανικούς διαγνωστικούς βιοαισθητήρες ασθενειών, έχουν επίσης εφαρμοστεί νανοβιοαισθητήρες που χρησιμοποιούν το εξαιρετικά μικρό μέγεθος και τις μοναδικές ιδιότητες τους. Η χρήση βιοαισθητήρων μπορεί να καθορίσει γρήγορα την κατάσταση της υγείας, την εμφάνιση και την εξέλιξη της νόσου και, με τη βοήθεια ενός πολυεπιστημονικού συνδυασμού χημείας, ιατρικής επιστήμης και νανοτεχνολογίας, μπορεί να βοηθήσει στην προετοιμασία της θεραπείας για πολλές ασθένειες. Οι συσκευές είναι οικονομικά αποδοτικές, υψηλής απόκρισης, γρήγορες, φιλικές προς το χρήστη και μπορούν να κατασκευαστούν για ανθρώπινη χρήση μαζικά. Πολυάριθμοι βιοαισθητήρες για τη διάγνωση τριών μεγάλων ασθενειών, όπως ο διαβήτης, οι καρδιαγγειακές παθήσεις και ο καρκίνος, είναι οι πιο ανεπτυγμένοι.

Τέτοιοι βιοαισθητήρες, που επινοήθηκαν από τον Cammann, είναι αναλυτικά όργανα που μετατρέπουν ένα ηλεκτρικό σήμα σε βιολογική απόκριση. Οι βιοαισθητήρες μπορούν συνήθως να είναι εξαιρετικά ακριβείς και θα πρέπει να είναι ανακυκλώσιμοι και ανεξάρτητα από φυσικούς περιορισμούς όπως το pH, η θερμοκρασία. Η πρακτική προσέγγιση στο σχεδιασμό ενός βιοαισθητήρα απαιτεί κατασκευή, ακινητοποίηση, συσκευές μεταγωγής που προσφέρουν διεπιστημονική μηχανική έρευνας τόσο στη χημεία όσο και στη βιολογία.

Με βάση τον μηχανισμό λειτουργίας τους, οι διαγνωστικοί βιοαισθητήρες χωρίζονται σε τέσσερις μεγάλες ομάδες:

  1. Βιοκαταλυτικοί βιοαισθητήρες με βάση ένζυμα.
  2. Ομάδα βιοσυγγένειας, δηλ. Αντίσωμα, αντιγόνο και παρουσία νουκλεϊκού οξέος.
  3. Μικρόβια, δηλαδή βιοαισθητήρες που περιέχουν μικροοργανισμό.
  4. Νανοαισθητήρες, δηλαδή ενεργοί αισθητήρες νανοσωματιδίων που συνήθως αυξάνουν την ευαισθησία και την εξειδίκευση για την έγκαιρη ανίχνευση ασθενειών.

Αυτοί οι διάφοροι τύποι βιοαισθητήρων βοηθούν τα επίπεδα ορμονών, τα φάρμακα, τις τοξίνες, τους μολυσματικούς παράγοντες, τα βαρέα μέταλλα, τα φυτοφάρμακα κ.λπ. να αναγνωριστούν με σημαντική εξειδίκευση.

Οι βιοαισθητήρες είναι εργαλεία που εκτιμούν συνήθως τα επίπεδα βιολογικών δεικτών ή οποιαδήποτε χημική αντίδραση δημιουργώντας σήματα που σχετίζονται κυρίως με τη συγκέντρωση ενός αναλύτη στη χημική αντίδραση. Συνήθως, αυτοί οι βιοαισθητήρες βοηθούν στην παρακολούθηση ασθενειών, ανακάλυψης φαρμάκων, ανίχνευσης ρύπων, ανίχνευσης ασθενειών που προκαλούν βακτήρια και δείκτες που συνήθως υποδεικνύουν ασθένειες, όπως σωματικά υγρά (σάλιο, αίμα, ούρα, ιδρώτας κ.λπ.). Ένας τυπικός βιοαισθητήρας φαίνεται στην Εικόνα 1.

Εικόνα 1. Σχηματική απεικόνιση βιοαισθητήρα

Ένας τυπικός βιοαισθητήρας αποτελείται από:

  1. Αναλυτής: Μια ουσία που ενδιαφέρει, όπως η γλυκόζη για τον διαβήτη, που πρέπει να εδραιωθεί.
  2. Βιοϋποδοχέας: Ένας βιοϋποδοχέας για τα ένζυμα μπορεί να είναι ένα μόριο που αναγνωρίζει τον αναλύτη.
  3. Μετατροπέας: Κανονικά, ένα συμβάν βιοανάγνωσης μετατρέπεται σε ανιχνεύσιμο σήμα, γνωστό ως σηματοδότηση.
  4. Ηλεκτρονικά: Σε μορφή οθόνης, τυπικά επεξεργάζεται το μεταδιδόμενο σήμα.
  5. Οθόνη: Συνήθως, η οθόνη υγρών κρυστάλλων έχει φιλικό προς το χρήστη τρόπο σε συνδυασμό με υλικό και λογισμικό για παραγωγή βιοαισθητήρων.

Υπάρχουν αρκετές εφαρμογές βιοαισθητήρων που έχουν εισαχθεί σε διαφορετικούς τομείς, όπως η ιατρική επιστήμη, ο θαλάσσιος τομέας, η βιομηχανία τροφίμων κ.λπ., και αυτοί οι βιοαισθητήρες συχνά προγραμματίζονται για βελτιωμένη ευαισθησία και γραμμικότητα σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους. Ωστόσο, η εφαρμογή βιοαισθητήρων αυξάνεται όλο και περισσότερο στον τομέα της ιατρικής επιστήμης.

Βιοαισθητήρες γλυκόζης στη διαχείριση του διαβήτη

Η παρακολούθηση της γλυκόζης στο αίμα έχει γίνει ένα πολύτιμο εργαλείο στη διαχείριση του διαβήτη και τα καθημερινά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα συνήθως διατηρούνται με τη συμβουλή κλινικών ιατρών που έχουν αναπτύξει μια σειρά αισθητήρων γλυκόζης αίματος. Ο σακχαρώδης διαβήτης είναι η μεγαλύτερη επικρατούσα ενδοκρινική διαταραχή μεταβολισμού υδατανθράκων με μεγαλύτερη νοσηρότητα και θνησιμότητα στις αναπτυσσόμενες χώρες. Πολλαπλές εξετάσεις είναι συνηθισμένες σε διαβητικούς ασθενείς για τη διερεύνηση και την παρακολούθηση διαβητικών δεικτών. Τα βασικά κριτήρια διάγνωσης για τον διαβήτη είναι το επίπεδο γλυκόζης στο αίμα, το οποίο περιλαμβάνει την αυτό-παρακολούθηση των επιπέδων γλυκόζης από διαβητικούς ασθενείς. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι μικροαγγειακές (νεφροπάθεια, νευροπάθεια και αμφιβληστροειδοπάθεια) και οι μακροαγγειακές επιπλοκές (στεφανιαία νόσος και εγκεφαλικό επεισόδιο) μπορούν να βελτιωθούν ελέγχοντας το επίπεδο της γλυκόζης στο αίμα σε φυσιολογικά επίπεδα. Η γλυκόζη στο αίμα παρατηρείται τυπικά σε υγιή άτομα της τάξης των 4,9-6,9 mM και μπορεί να αυξηθεί σε διαβητικούς ασθενείς έως και 40 mM μετά την πρόσληψη γλυκόζης. Αν και διατίθενται στο εμπόριο διάφορα είδη αισθητήρων γλυκόζης, η τρίτη γενιά βιοαισθητήρων γλυκόζης φαίνεται στην Εικόνα 2 ως παράδειγμα.

Εικόνα 2. Βιοσένσορας γλυκόζης τρίτης γενιάς

Ανίχνευση καρδιαγγειακών παθήσεων με χρήση βιοαισθητήρων

Ο αριθμός των θανάτων που προκαλούνται παγκοσμίως από καρδιαγγειακές παθήσεις (CVD) είναι σημαντικός και περισσότεροι άνθρωποι πεθαίνουν από CVD παρά από οποιαδήποτε άλλη ασθένεια. Μέχρι το 2015, περίπου 17,7 εκατομμύρια άνθρωποι είχαν πεθάνει από καρδιαγγειακή νόσο, αντιπροσωπεύοντας συνολικά το 31 % όλων των παγκόσμιων θανάτων. 7,4 εκατομμύρια από αυτά οφείλονταν σε στεφανιαία νόσο και 6,7 εκατομμύρια σε εγκεφαλικό επεισόδιο. Ως φάρμακο και θεραπεία, ένα άτομο με CVD χρειάζεται έγκαιρη ανίχνευση και διαχείριση. Η τρέχουσα στρατηγική ανίχνευσης CVD βασίζεται στην παραδοσιακή μέθοδο, η οποία συνήθως βασίζεται σε δοκιμές που μπορεί να διαρκέσουν πολλές ώρες ή και ημέρες. Ο ΠΟΥ θέτει αυτά τα διαγνωστικά κριτήρια, σύμφωνα με τα οποία οι ασθενείς πρέπει να ακολουθούν τουλάχιστον μία από τις συνθήκες, όπως αλλαγές στο διαγνωστικό ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ), αύξηση βιοχημικών δεικτών στα δείγματα αίματος και χαρακτηριστικό πόνο στο στήθος. Το ΗΚΓ είναι μια σημαντική παράμετρος για τη διαχείριση της θεραπείας, αλλά το ΗΚΓ είναι ένα κακό διαγνωστικό τεστ στην περίπτωση των CVD, επειδή οι μισοί ασθενείς με CVD έχουν φυσιολογικό καρδιογράφημα, καθιστώντας πιο δύσκολη τη διάγνωση αυτής της ιατρικής κατάστασης. Ο βιοαισθητήρας θα βοηθήσει στην ταχεία διάγνωση, παρέχοντας άριστη υγειονομική περίθαλψη και μειώνοντας τον χρόνο καθυστέρησης για τη διανομή των αποτελεσμάτων, κάτι που αποτελεί τεράστιο άγχος για τους ασθενείς.

Βιοαισθητήρας για την ανίχνευση καρκίνου

Ο καρκίνος είναι μια από τις πιο θανατηφόρες ασθένειες και αρκετοί ερευνητές έχουν αναπτύξει πρόσφατα βιοαισθητήρες για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου. Οι περισσότεροι καρκίνοι τυπικά διαγιγνώσκονται με μαγνητική τομογραφία, υπερηχογράφημα ή μεθόδους βιοψίας που βασίζονται στις φυσικές ιδιότητες και την παρουσία του όγκου και προσδιορίζουν είτε προηγμένα είτε επεμβατικά όργανα. Οι παραλλαγές των γονιδιακών αλληλουχιών, δηλαδή οι μεταλλάξεις, προκαλούν κυρίως καρκίνο και έτσι απαιτούν έγκαιρη διάγνωση πριν προχωρήσει η ασθένεια. Η έγκαιρη ανίχνευση καρκίνου καθιστά τη θεραπεία ταχύτερη και πιο επιτυχημένη, ανοίγοντας μια πλατφόρμα βιοαισθητήρων για την ανίχνευση πρώιμων σταδίων καρκίνου. Πολλοί ειδικοί υποθέτουν ότι στην περίπτωση του καρκίνου, η έγκαιρη ανίχνευση θα μπορούσε να είναι δυνατή επειδή οι ανωμαλίες στη χημική και γενετική σύνθεση μπορεί να εντοπιστούν πολύ πριν ξεκινήσει η ασθένεια. Η ανεξέλεγκτη και ακανόνιστη κυτταρική ανάπτυξη, που συνήθως πιστεύεται ότι είναι καρκίνος, συμβαίνει λόγω της συσσώρευσης μοναδικών γενετικών μεταλλάξεων και επιγενετικών ελαττωμάτων. Τα καρκινικά κύτταρα αποδεικνύεται ότι είναι ανθεκτικά στην απόπτωση και στον αντι-αναπτυξιακό αμυντικό μηχανισμό του σώματος. Εάν προχωρήσει και αρχίσει να επεκτείνεται σε άλλα όργανα και συστήματα του σώματος, δηλαδή στο στάδιο της μετάστασης, ο καρκίνος γίνεται ανίατος. Η διέγερση ογκογονιδίου και η μείωση της λειτουργίας των γονιδίων καταστολής όγκων (TSG) είναι οι δύο πιο σημαντικοί μηχανισμοί ογκογένεσης. Λόγω μετάλλαξης ή αντιγραφής του φυσιολογικού γονιδίου (πρωτο-ογκογονίδιο), λαμβάνει χώρα  η ενεργοποίηση του ογκογονιδίου, το οποίο παίζει βασικούς ρόλους, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου της κυτταρικής ανάπτυξης, του πολλαπλασιασμού και/ή της διαφοροποίησης. Μια τέτοια γενετική μετάλλαξη καθοδηγεί το γονίδιο να παράγει υπερβολική ποσότητα του γονιδιακού προϊόντος του, με αποτέλεσμα την απορύθμιση της κυτταρικής διαίρεσης, την ανάπτυξη των κυττάρων και την εγκατάσταση του όγκου. Πολλά ογκογονίδια έχουν θεωρηθεί ως πολλά υποσχόμενοι βιοδείκτες καρκίνου για υποδοχείς αυξητικών παραγόντων. Στο ~ 33 % όλων των καρκίνων του μαστού, ο υποδοχέας ανθρώπινου επιδερμικού αυξητικού παράγοντα Her-2 εντείνεται και οι καρκίνοι με ενισχυμένο Her-2 φαίνεται να αναπτύσσονται και να αυξάνονται ταχύτερα. Η επίγνωση της κατάστασης Her-2 είναι συνεπώς απαραίτητη για το κλείσιμο της πιθανής πορείας φαρμακευτικής αγωγής. Το Trastuzumab είναι τώρα μια τυπική επικουρική θεραπεία για ασθενείς με αυτόν τον τύπο ενισχυμένης γονιδιακής έκφρασης, ένα ανασυνδυασμένο εξανθρωπισμένο μονοκλωνικό αντίσωμα που στοχεύει στο Her-2 ως άμεση θεραπεία για τον καρκίνο του μαστού. Οι TSG σχετίζονται με τον έλεγχο της ανεπαρκούς κυτταρικής ανάπτυξης και πολλαπλασιασμού ελαχιστοποιώντας ή αποτρέποντας τη διαίρεση των κυττάρων. Η πρωτεΐνη ρετινοβλαστώματος (Rb), BRCA1/2 και p53 είναι τρεις από τις καλά μελετημένες TSG στον καρκίνο. Το Rb είναι κύριος ρυθμιστής κυτταρικής διαίρεσης και η μετάλλαξη Rb παίζει σημαντικό ρόλο σε διάφορους καρκίνους. Οι πιο συχνές αιτίες απενεργοποίησης του γονιδίου Rb1 είναι σημειακές μεταλλάξεις και διαγραφές. Το BRCA1 είναι ένα ένζυμο επιδιόρθωσης DNA που σχετίζεται με πρόσφατα αναπαραγόμενο DNA «διόρθωση» για πιστότητα και αναζήτηση τυχόν μεταλλάξεων. Μέχρι να διαιρεθεί το κύτταρο, τα ένζυμα επιδιόρθωσης DNA κανονικά λειτουργούν για να αφαιρέσουν τα σφάλματα αναπαραγωγής. Οι γονιδιακές μεταλλάξεις BRCA1 ευθύνονται για το 50% των κληρονομικών καρκίνων του μαστού και το 80-90% για τους κληρονομικούς καρκίνους του μαστού και των ωοθηκών. Τέλος, ένας κύριος ρυθμιστής της απόπτωσης ή του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου είναι η πρωτεΐνη p53. Στον εγκέφαλο, το στήθος, το κόλον, τους πνεύμονες, τα ηπατοκυτταρικά καρκινώματα και τη λευχαιμία, εντοπίζονται μεταλλάξεις p53. Μια άλλη σημαντική εμπλοκή με την απώλεια p53 είναι ότι οδηγεί στο μηχανισμό αντοχής των φαρμάκων χημειοθεραπείας. Η βελτίωση των βιοαισθητήρων που μπορούν να ανιχνεύσουν την ύπαρξη μεταλλάξεων p53, Rb και BRCA1 είναι πολύ δικαιολογημένη και μπορεί να μας επιτρέψει να αξιολογήσουμε την ευαισθησία του πρώιμου καρκίνου με λεπτομερή πρόγνωση και θεραπευτικά σχήματα.

Βιοτσίπ στη διάγνωση

Το βιοτσίπ του DNA ανοίγει ένα νέο πεδίο διάγνωσης που βασίζεται στη γενετική. Ο τρόπος με τον οποίο το ιατρικό επάγγελμα εκτελεί εξετάσεις αίματος θα μπορούσε να φέρει επανάσταση από ένα νεοαναπτυγμένο βιοτσίπ DNA. Είναι σχεδόν άμεσα με το βιοτσίπ μεγέθους σπιρτόκουτου αντί για έναν ασθενή να χρειάζεται να περιμένει αρκετές ημέρες για αποτελέσματα από ένα εργαστήριο. Και χωρίς να θυσιάζεται η ακρίβεια, απαιτεί λιγότερο αίμα. Το βιοτσίπ του DNA μειώνει την ανάγκη για ραδιενεργές ετικέτες που χρησιμοποιούνται για ανίχνευση, εκτός από την εξοικονόμηση χρόνου. Για τους τεχνικούς και τους εργαζόμενους στο εργαστήριο που χειρίζονται δείγματα και εκτελούν δοκιμές, αυτό μειώνει σημαντικά το κόστος και τις μελλοντικές επιπτώσεις στην υγεία. Μειώνει επίσης το κόστος διάθεσης επειδή, σύμφωνα με τους αυστηρούς κανονισμούς, το αίμα με χημική σήμανση πρέπει να χρησιμοποιείται.

Ένας βιοαισθητήρας πρέπει να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος και ικανός να διαφοροποιεί, για παράδειγμα, βακτήρια, ιούς ή άλλα χημικά ή βιολογικά είδη για να είναι χρήσιμος για την ανίχνευση ενώσεων σε δείγμα πραγματικής ζωής. Σύμφωνα με τον Vo-Dinh, ο οποίος διευκρίνισε ότι το βιοτσίπ μιμείται τις εξελιγμένες δυνατότητες αναγνώρισης ενός ζωντανού συστήματος, τα βιοτσίπ του DNA το κάνουν αυτό. Το βιοτσίπ του DNA είναι ένας βιοαισθητήρας που βασίζεται σε γονιδιακό ανιχνευτή, σε αντίθεση με άλλους βιοαισθητήρες που βασίζονται σε ανιχνευτές ενζύμων και αντισωμάτων. Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε γονιδιακούς ανιχνευτές παρέχουν εξαιρετική επιλεκτικότητα και ευαισθησία, καθιστώντας τα πολύτιμα εργαλεία για τη διάγνωση γενετικών ασθενειών και μολυσματικών ειδών.

Βιοτσίπ στην επιδημία φυματίωσης

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών βιοτσίπ από Ρώσους και Αμερικανούς επιστήμονες θα μπορούσε να φέρει κάποια ελπίδα να σταματήσει η παγκόσμια αναζωπύρωση της φυματίωσης. Ιδρύθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και από το Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας W. A. ​​Englehardt της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (Μόσχα), η τεχνολογία προορίζεται να βοηθήσει στην καταπολέμηση της τρέχουσας ποικιλίας στελεχών της νόσου που είναι ανθεκτικά στα φάρμακα.

Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας αναφέρει ότι η φυματίωση σκοτώνει περισσότερους νέους και ενήλικες, συμπεριλαμβανομένου του AIDS και της ελονοσίας μαζί, από οποιαδήποτε άλλη μολυσματική ασθένεια. Η μεγαλύτερη πρόκληση της τρέχουσας επιδημίας φυματίωσης είναι ότι η ασθένεια μπορεί να προκληθεί από διάφορα είδη βακτηρίων και το καθένα είναι ανθεκτικό σε διάφορα φάρμακα. Το κρίσιμο στοιχείο για τον έλεγχο της νόσου είναι ο καθορισμός του στελέχους που επηρεάζει έναν δεδομένο ασθενή και ο προσδιορισμός του καλύτερου αντιβιοτικού για την καταπολέμηση αυτού του στελέχους. Για να γίνει διάκριση μεταξύ πολυάριθμων στελεχών φυματίωσης, η Argonne σκοπεύει να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία βιοτσίπ στην έρευνα. Αρχικά θα πραγματοποιούνταν δοκιμές σε τμήματα γενετικού υλικού που αφαιρέθηκαν από βακτήρια φυματίωσης. Τα βιοτσίπ έχουν σχεδιαστεί για να διεξάγουν ταυτόχρονα μια σειρά βιοχημικών αντιδράσεων και έχουν βρεθεί ότι αποδίδουν ικανοποιητικά σε εργαστηριακές δοκιμές. Δεδομένου ότι η ανίχνευση συγκεκριμένων στελεχών φυματίωσης διαρκεί εβδομάδες ή μήνες, οι ασθενείς συχνά συνταγογραφούν πολλά αντιβιοτικά ταυτόχρονα.

Βιοτσίπ στον καρκίνο

Η τεχνολογία τσιπ βιοαισθητήρα παρέχει επίσης γρήγορη και απλή πρόσβαση σε κρίσιμες πληροφορίες σχετικά με τη βλάβη του σύνθετου DNA που προκαλεί καρκίνο, κινώντας τους ερευνητές ένα βήμα πιο κοντά στον αγώνα κατά του καρκίνου. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους βιοαισθητοποίησης, μια μέθοδος φθορισμού με βάση το λέιζερ, υψηλής ανάλυσης και χαμηλής θερμοκρασίας προσφέρει ένα ακριβές αποτύπωμα του μορίου. Είναι πιθανό ότι η ευκολία χρήσης του ενθαρρύνει την αντικατάσταση επεμβατικών ενδοσκοπικών επεμβάσεων και βοηθά στην έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του παχέος εντέρου.

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ που εφαρμόζονται στα τρόφιμα και τη γεωργία

Η τρέχουσα παραγωγή τροφίμων αντιμετωπίζει τεράστιες προκλήσεις από τον αυξανόμενο ανθρώπινο πληθυσμό, τη διατήρηση καθαρών πόρων και την ποιότητα των τροφίμων και την προστασία του περιβάλλοντος και του κλίματος. Η βιωσιμότητα των τροφίμων είναι κυρίως μια συνεργασία που καταλήγει στην ανάπτυξη της τεχνολογίας που χρηματοδοτείται τόσο από κυβερνήσεις όσο και από εταιρείες. Έχουν υποστηριχθεί αρκετές προσπάθειες για να ξεπεραστούν οι προκλήσεις και να βελτιωθούν οι οδηγοί στην παραγωγή τροφίμων. Μέσω των εφαρμογών τους, οι βιοαισθητήρες και οι τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως για να λύσουν τις μεγάλες προκλήσεις της παραγωγής τροφίμων και τη βιωσιμότητά της. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για τεχνολογία βιοαισθητοποίησης στον τομέα της βιωσιμότητας των τροφίμων. Ένα τεχνολογικό σύστημα που συνδυάζει πολλές τεχνολογίες ορίζεται από τα μικρορευστά. Τα νανοϋλικά, με την τεχνολογία βιοαισθητοποίησης, είναι γνωστό ότι είναι το πιο καινοτόμο εργαλείο που σχετίζεται έντονα με τους παγκόσμιους πληθυσμούς στην αντιμετώπιση θεμάτων υγείας, ενέργειας και περιβάλλοντος. Η ανάγκη για τεχνολογία σημείου φροντίδας (POC) σε αυτόν τον τομέα εστιάζει σε αναλυτικά εργαλεία που είναι γρήγορα, απλά, ακριβή, συμπαγή και χαμηλού κόστους.

Για την ύπαρξη και τη ζωή μας, το φαγητό με τη βιομηχανία παραγωγής του είναι απαραίτητο και η βιωσιμότητά του είναι απαραίτητη για τη συνεχή ανθρώπινη ανάπτυξη στον πλανήτη. Η τρέχουσα παραγωγή τροφίμων αντιμετωπίζει τεράστιες δυσκολίες από την αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού, τη διατήρηση καθαρών πόρων και την ποιότητα των τροφίμων και την προστασία του περιβάλλοντος και του κλίματος. Ορισμένα από αυτά τα θέματα προέρχονται από την ίδια την παραγωγή τροφίμων. άλλοι προέρχονται από άλλες βιομηχανίες που σχετίζονται με την παραγωγή τροφίμων. Οι ανακλήσεις τροφίμων, για παράδειγμα, προκαλούν μεγάλη ζημιά στην αξιοπιστία και το κύρος των εμπορικών σημάτων τροφίμων, με μια εκτίμηση 15 εκατομμυρίων δολαρίων ανά περιστατικό τα τελευταία χρόνια. 48 εκατομμύρια αθενών είναι υπεύθυνα για 3000 θανάτους ετησίως λόγω τροφιμογενών ασθενειών.

Η ασφάλεια των τροφίμων είναι σε μεγάλο βαθμό μια συνεργασία που προκύπτει τόσο από κυβερνήσεις όσο και από εταιρείες στην ανάπτυξη τεχνολογίας. Προκειμένου να τεθούν νέες προκλήσεις σε θέματα ασφάλειας τροφίμων, οι τεχνολογίες πληροφοριών όπως η τεχνολογία blockchain μπορούν να επιταχύνουν την επικοινωνία μεταξύ της ποιότητας των τροφίμων, των μέσων ενημέρωσης και των καταναλωτών. Πέντε προκλήσεις μπορούν να συνοψιστούν ως οι κύριες προκλήσεις στη βιωσιμότητα της παραγωγής τροφίμων: η πρόκληση της παραγωγής για την ασφάλεια και την ασφάλεια των τροφίμων, την ποιοτική πρόκληση της ποικιλίας και της ποιότητας των τροφίμων · την οικονομική πρόκληση στο κορυφαίο σύστημα τροφίμων, συμπεριλαμβανομένης της συσκευασίας και της αλυσίδας εφοδιασμού · την περιβαλλοντική πρόκληση, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας των απορριμμάτων τροφίμων · και η μηχανική πρόκληση στη δημιουργία και παραγωγή νέων τροφίμων.

Βασικά, ένας βιοαισθητήρας είναι ένα αναλυτικό όργανο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μορίου που ενδιαφέρει ένα δείγμα (στόχος). Γενικά, χρησιμοποιείται ένας παράγοντας βιοανάγνωσης (απταμερές, αντίσωμα, ένζυμο κ.λπ.) που είναι μοναδικός για τον στόχο. Ένα φυσικοχημικό ή βιολογικό σήμα προκαλείται από γεγονότα μοριακής αναγνώρισης μεταξύ του στοιχείου αναγνώρισης και της ένωσης -στόχου, η οποία μετατρέπεται σε μετρήσιμη ποσότητα από τον μετατροπέα. Τα σήματα εμφανίζονται είτε σε οπτικό (χρωματομετρικό, φθορισμό, χημειοφωταύγεια και συντονισμό επιφάνειας πλάσμον) είτε σε ηλεκτρικό (βολταμετρία, σύνθετη αντίσταση και χωρητικότητα) ή σε οποιαδήποτε άλλη επιλεγμένη μορφή (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Ταξινόμηση βιοαισθητήρων με βάση μορφοτροπέα και στοιχεία βιοανάγνωσης που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση τροφίμων

Ως ένας από τους πρωταρχικούς στόχους της ανάλυσης τροφίμων, η ασφάλεια των τροφίμων αποτελεί μείζον ζήτημα υγείας τόσο στη ζωή των ζώων όσο και των ανθρώπων. Η πρόοδος της αναλυτικής τεχνολογίας για την ασφάλεια των τροφίμων σημαίνει ότι ευδοκιμεί σύμφωνα με το αυξανόμενο ενδιαφέρον και έμφαση σε θέματα ασφάλειας εφοδιασμού τροφίμων. Στην ανάλυση της ασφάλειας των τροφίμων, οι παραδοσιακές προσεγγίσεις είναι απαιτητικές, χρονοβόρες και χρειάζονται εκπαιδευμένους τεχνικούς. Η εφαρμογή των μικρορευστών στην ανάλυση της ασφάλειας των τροφίμων παρέχει νέα εικόνα για τον τρόπο ανίχνευσης αποτελεσματικών και ταχέων τοξινών, αλλεργιογόνων, παθογόνων, επικίνδυνων ουσιών, και άλλων μολυσματικών ουσιών. Τα χαρακτηριστικά των μικρορευστών, όπως η μικροσκοπική ικανότητα, οι συμπαγείς και μειώσιμες ποσότητες δειγμάτων και αντιδραστηρίων, το καθιστούν μια τέλεια τεχνολογία για την ανάπτυξη της βιωσιμότητας των τροφίμων. Η σύνθετη προετοιμασία της μήτρας τροφίμων και τα δύσκολα στάδια παραγωγής είναι οι τρέχουσες προκλήσεις στην εφαρμογή των μικρορευστών στη βιωσιμότητα των τροφίμων. Αυτές οι προκλήσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν αξιοποιώντας τις φυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από συγκεκριμένους στόχους δοκιμών, σχεδιάζοντας σύνθετες μικρορευστολογικές πλατφόρμες πραγματικής ανάλυσης τροφίμων και ενσωματώνοντας βιομορια σε μικρορευστικά συστήματα όπως πρωτεΐνες τροφίμων και DNA.

Νανοϋλικά στην τεχνολογία βιοαισθητοποίησης

Με την τεχνολογία βιοαισθητοποίησης, τα νανοϋλικά είναι το πιο ελπιδοφόρο εργαλείο για την αντιμετώπιση προβλημάτων υγείας, ενέργειας και περιβάλλοντος που σχετίζονται με τον πληθυσμό στον κόσμο. Σωματίδια μικρότερα από 100 nm σε τουλάχιστον μία διάσταση μεγέθους είναι γνωστά ως νανοϋλικά. Αυτά τα νανοϋλικά είναι βιοσύνθετα πολυμερή βασισμένα σε μέταλλο, οξείδιο μετάλλου και άνθρακα και έχουν δημιουργηθεί διάφοροι τύποι νανοσωματιδίων, όπως μαγνητικός σίδηρος, αλουμίνιο, χρυσός, ασήμι, χαλκός, πυρίτιο, ψευδάργυρος, οξείδιο ψευδαργύρου, οξείδιο του δημητρίου και νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου, και νανοσωλήνες άνθρακα μονής/πολλαπλών τοιχωμάτων (CNT). Η νανοτεχνολογία και η γεωργική της ανάπτυξη έχουν επεκταθεί σε πολλούς τομείς. Αυτοί οι τομείς περιλαμβάνουν την παραγωγή τροφίμων, την προστασία των καλλιεργειών, τον εντοπισμό παθογόνων και τοξινών, τον καθαρισμό του νερού, τη συσκευασία τροφίμων, τη διάθεση λυμάτων και την περιβαλλοντική αποκατάσταση. Η βελτίωση της παραγωγικότητας και της απόδοσης των εφαρμογών αποτελεί προτεραιότητα αυτών των γεωργικών τομέων.

Στον τομέα της ασφάλειας και της προστασίας των τροφίμων, έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης για ανίχνευση θρεπτικών συστατικών και ποιότητας, ανίχνευση παθογόνων παραγόντων και ανίχνευση τοξινών, όπως παρατίθεται παρακάτω.

Ανίχνευση θρεπτικών συστατικών και ποιότητας

Τα μέτρα προστασίας των τροφίμων μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: απώλεια μετά τη συγκομιδή και βιοασφάλεια τροφίμων. Η βιοασφάλεια των τροφίμων σημαίνει μόλυνση και υποβάθμιση των τροφίμων, η οποία αντιμετωπίζεται στις επόμενες ενότητες, από περιβαλλοντικό, πολιτικό, αθέμιτο οικονομικό κέρδος, πόλεμο ή απαιτητική εκδίκηση. Η απώλεια μετά τη συγκομιδή, από την άλλη πλευρά, υποδηλώνει τα θρεπτικά συστατικά και τις βρώσιμες συνθήκες στα τρόφιμα που πρέπει να διατηρηθούν μεταξύ της περιόδου συγκομιδής και της στιγμής κατανάλωσης από τις τεχνολογίες. Δεδομένου ότι ο χρόνος διαφέρει από λεπτά σε χρόνια, στη διατήρηση και τη μείωση των απωλειών, οι τεχνολογίες που επικεντρώνονται στη μείωση των απωλειών μετά τη συγκομιδή είναι σημαντικές.

Για να διατηρηθεί η ποιότητα των τροφίμων και να αποφευχθούν οι απώλειες μετά τη συγκομιδή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί νέα τεχνολογία όπως η βιοαισθητοποίηση. Οι βιοαισθητήρες έχουν αναπτυχθεί, για παράδειγμα, για να ανιχνεύσουν και να αναλύσουν ποσότητες γλυκαντικών σε τρόφιμα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό φυσικών και τεχνητών γλυκαντικών. Τα γλυκαντικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην παραγωγή και την επεξεργασία τροφίμων, αλλά πρόσφατα εντοπίστηκαν στους ανθρώπους ότι προκαλούν προβλήματα υγείας. Ένας βιοαισθητήρας πολλαπλών καναλιών έχει αναπτυχθεί για να χρησιμοποιεί την ηλεκτροφυσιολογική ανίχνευση από τα επιθηλιακά της γεύσης για την ανίχνευση και ανάλυση φυσικών και τεχνητών γλυκαντικών. Για την ανίχνευση μακροπρόθεσμων σημάτων από σακχαρόζη, γλυκόζη, κυκλαμικό και σακχαρίνη, αντίστοιχα, τα σήματα μελετώνται μέσω χωροχρονικών τεχνικών. Ο βιοαισθητήρας μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ διαφορετικών συγκεντρώσεων με δοσοεξαρτώμενες αυξημένες αποκρίσεις του γευστικού επιθηλίου από διαφορετικά γλυκαντικά. Μπορεί επίσης να κάνει διάκριση μεταξύ δύο φυσικών γλυκαντικών: σακχαρόζη και γλυκόζη, με δύο μοτίβα σήματος. Για τη γλυκόζη, το εύρος ανίχνευσης είναι 50-150 mM, και για τη σακχαρίνη, 5-15 mM.

Ανίχνευση παθογόνων παραγόντων

Λόγω της μειωμένης μορφής τους, οι βιοαισθητήρες που στοχεύουν στην ανίχνευση παθογόνων όπως βακτήρια (πίνακας 1) και μύκητες (πίνακας 2) ξεκίνησαν πριν από περισσότερες από δύο δεκαετίες. μία συσκευή για την αντιμετώπιση πολλαπλών προβλημάτων και ανίχνευση σήματος πολλαπλών πινάκων. Το μοτίβο συνδέτη είναι ένα κρίσιμο στοιχείο στο σχεδιασμό του βιοαισθητήρα για την ανίχνευση παθογόνων, καθώς καθορίζει την ευαισθησία και την αποτελεσματικότητα της συσκευής. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί μια γρήγορη, συγκεκριμένη και ευαίσθητη πλατφόρμα για τον εντοπισμό στα δείγματα τροφίμων της παρουσίας ή απουσίας παθογόνων παραγόντων. Έχει ανακαλυφθεί ότι δεν υπάρχει ιδανικός υποκαταστάτης, και διάφοροι υποκαταστάτες έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα. Ο συνδυασμός βιοϋποδοχέων για την ανίχνευση μιας μεγάλης ποικιλίας μικροβίων σε διαφορετικά δείγματα θέτει τρέχουσες προκλήσεις στην ανίχνευση βιοαισθητήρων παθογόνων. νέα σχέδια συνθετικών συνδετών όπως απταμερή, μικρά μόρια και πεπτίδια και την ενσωμάτωση διαφορετικών υποκαταστατών σε μια φορητή συσκευή για την επίτευξη ταχείας, αποτελεσματικής και χαμηλού κόστους ανίχνευσης.

Πινακας 1. Συνθήκες για τον αριθμό των βακτηρίων που αναπτύσσονται στο γάλα

Θερμοκρασία °C 24 h 48 h 96 h 168 h
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

Πινακας 2. Απαιτήσεις θερμοκρασίας και δραστηριότητας νερού για ανάπτυξη μυκήτων

Είδος Ελάχιστο Βέλτιστο Μέγιστο Ελάχιστο Βέλτιστο
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

Ανίχνευση τοξινών

Η κύρια εξέλιξη της ασφάλειας των τροφίμων είναι οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες για την ταχεία ανίχνευση και εκτίμηση των τροφικών τοξινών. Πολλές πλατφόρμες έχουν αναπτυχθεί για να επιτρέπουν στις εξατομικευμένες και εξατομικευμένες συσκευές να πληρούν συγκεκριμένες περιβαλλοντικές και οργανωτικές απαιτήσεις και να φτάνουν τα όρια ανίχνευσης nM έως fM. Για παράδειγμα, για να ενθαρρύνουν μοναδικά δεσμευτικά προφίλ, οι συστοιχίες βιοϋποδοχέων απευθύνονται σε μεμονωμένα ηλεκτρόδια που λειτουργούν με διαφορετικούς βιοϋποδοχείς με δεσμευτικούς στόχους. Εκτός από την ηλεκτροχημική βιοαισθητοποίηση, η τοξίνη και η χημική ανίχνευση στην παραγωγή τροφίμων έχουν εφαρμοστεί σε άλλους βιοαισθητήρες όπως η οπτική και η πιεζοηλεκτρική ανίχνευση (Εικόνα 4). Για την αίσθηση των τοξινών, φθορίζοντα νανοσωματίδια έχουν παραχθεί σε τρόφιμα και σώματα, συμπεριλαμβανομένων των επιφανειακών, ενδοκυτταρικών και ενδοκυτταρικών τροφών.

Εικόνα 4. Κυρίαρχοι ρύποι τροφίμων και αναλυτές στόχοι στις βιομηχανίες παραγωγής τροφίμων

Η εξαγωγή τοξίνης από περίπλοκα δείγματα τροφίμων είναι ένα από τα κύρια εμπόδια στη δημιουργία ενός πλήρως αυτοματοποιημένου ανιχνευτή τοξινών. Για να εκτιμηθούν αυτόματα τα επιβλαβή τους επίπεδα από δείγματα τροφίμων και νερού, τα πιθανά συστήματα αναμένεται να εξαγάγουν, να επεξεργαστούν και να μετρήσουν τις τοξίνες. Κατά τον εντοπισμό, τη διάκριση και τον ποσοτικό προσδιορισμό των χημικών τοξινών σε μήτρες τροφίμων, συνδυάστηκαν εξελιγμένες στρατηγικές διαχωρισμού με το SERS. Επιπλέον, παρόλο που είναι συνήθως σε μικρότερες ποσότητες, οι χημικοί μολυσματικοί παράγοντες από την επεξεργασία των τροφίμων μπορεί να είναι μια πρόκληση. Η χαμηλότερη σταθερότητα, η επιλεκτικότητα και η ευαισθησία είναι μια άλλη πρόκληση στην ανίχνευση τοξινών τροφίμων, όπου τα MIP μπορούν να είναι μια λύση για την παροχή σταθερών και χαμηλού κόστους εναλλακτικών λύσεων.

Τα βαρέα μέταλλα όπως Ag+, As3+, Cd2+, Hg2+, Pb2+, and Zn2+ είναι γνωστά ως χημικοί ρύποι που σχηματίζουν σταθερές καταστάσεις οξείδωσης και παρεμβαίνουν στα μεταβολικά μονοπάτια, με αποτέλεσμα προβλήματα υγείας. Οι βιοαισθητήρες Aptamer και DNA μπορούν να ανιχνεύσουν βαρέα μέταλλα τόσο σε νανοκλίμακα όσο και σε πολύ μεγάλης κλίμακας επίπεδα, τα οποία είναι κατάλληλα για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της ασφάλειας των τροφίμων. Για να ανιχνευθεί το αρσενικό στα τρόφιμα, ένας βιοαισθητήρας ανίχνευσης βαρέων μετάλλων βασίζεται σε γενετικά τροποποιημένα βακτηριακά κύτταρα και έναν πράσινο, φθορίζοντα ενισχυτή σήματος. Με εύρος ανίχνευσης 5-140 μg/L αρσενικού, η ανίχνευση αρσενικού διαρκεί μόνο μία ώρα και μπορεί να ενσωματωθεί με οπτική ισχύ εξόδου για τη μελλοντική βιοαισθητοποίηση οπτικών ινών. Άλλες τεχνολογίες βιοαισθητοποίησης όπως τα απτάμερα, τα νανοσωματίδια και τα ηλεκτρόδια γραφενίου έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στην αναγνώριση και την αξιολόγηση του αρσενικού, με τη δυνατότητα να παράγονται ως γρήγορες, απλές, εύχρηστες και χαμηλού κόστους συσκευές.

Η νανοτεχνολογία έχει προσαρμοστεί σε δύο χωριστά πεδία γεωργικών τροφίμων: ως φορέας χορήγησης φυτοφαρμάκων για τη διαχείριση φυτοφαρμάκων και ως ανιχνευτής ιχνοστοιχείων για φυτοφάρμακα. Στο πρώτο πεδίο, τα νανοσωματίδια μπορούν να τροποποιήσουν αργά τα φυτοφάρμακα για να στοχεύσουν τα παράσιτα εντόμων, γεγονός που βοηθά στην πρόληψη της ρύπανσης των υπόγειων υδάτων και του επιφανειακού εδάφους, μειώνει τα επίπεδα φυτοφαρμάκων και βελτιώνει την αποδοτικότητα. Στο δεύτερο πεδίο, η βιο-ή βιομιμητική νανοτεχνολογία, όπως αντισώματα, ένζυμα, απταμερή και μακρομόρια που μοιάζουν με MIP, βελτιώνει τη σταθερότητα, την εκλεκτικότητα, την ευαισθησία και την ταχύτητα ανίχνευσης. Επιπλέον, τα βακτηριακά, τα μυκητιακά, τα φύκια και τα θηλαστικά είναι κύτταροι βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην ανίχνευση φυτοφαρμάκων και ζιζανιοκτόνων, βοηθώντας στη δημιουργία γρήγορων, αξιόπιστων, πραγματικών και οικονομικά αποδοτικών εργαλείων για διαδικασίες απολύμανσης και πρόληψης τραυματισμών.

Οι καρκινογόνες ουσίες, οι μυρωδιές και οι θαλάσσιοι ρύποι είναι άλλες τοξίνες που είναι σημαντικές στην παραγωγή τροφίμων. Οι καρκινογόνες ουσίες είναι μια σύνθετη ομάδα ιχνοστοιχείων τοξινών, όπως φυτοφάρμακα, βαρέα μέταλλα, μυκοτοξίνες και ακρυλαμίδιο, στην οποία η δυσκολία εντοπισμού ιχνοστοιχείων αποτελεί πρόκληση. και τα αποτυπωμένα απταμερή, η νανοτεχνολογία και η βιοαισθητοποίηση είναι αισιόδοξα για πολλά υποσχόμενη μελλοντική χρήση. Ευαίσθητα και διαλυτά μόρια αποτελεσματικά στην ανίχνευση οσμών για οσφρητικά ζωικά συστήματα είναι πρωτεΐνες που δεσμεύουν οσμή. Έχει δημιουργηθεί ένας νανοαισθητήρας που συνδυάζει τοπικό SPR και μικρές οσμές που δεσμεύουν πρωτεΐνες από μέλισσες, στο οποίο η περιοχή ανίχνευσης είναι 10 nM – 1 mM χρησιμοποιώντας μια ποσοτική σειρά νανοκουπών. Για την παρακολούθηση και τη διατήρηση ενός σταθερού περιβάλλοντος για τα συστήματα θαλάσσιων τροφίμων, χρησιμοποιείται η ανίχνευση θαλάσσιων μολυντών. Τέλος, μέσω των ευαίσθητων δυνατοτήτων ανίχνευσης, των μικροσκοπικών συσκευών, της ασύρματης επικοινωνίας και των δικτύων μικρής κλίμακας, οι βιοαισθητήρες μπορούν να εφαρμοστούν στην ασφάλεια των θαλάσσιων τροφίμων που θα καθιερωθούν ως προηγμένα εργαλεία ανάλυσης και παρακολούθησης.

Ένα άλλο κιτ ανάπτυξης βιοαισθητήρων για την ασφάλεια των τροφίμων επικεντρώνεται στην ανίχνευση γενετικά τροποποιημένων οργανισμών (ΓΤΟ) σε τρόφιμα. Από τη δεκαετία του 1990, οι ΓΤΟ σε όλους τους τομείς των γεωργικών προϊόντων θεωρούνται επανάσταση στη βιοτεχνολογία. Μέχρι σήμερα, περισσότερο από το 45 % της σόγιας στον κόσμο, το 40 % του καλαμποκιού και το 50 % του βαμβακιού είναι ΓΤ προϊόντα και οι ΓΤΟ χρησιμοποιείται επίσης στην κτηνοτροφία. Πρόσφατη έρευνα, ωστόσο, δείχνει ότι τα προϊόντα ΓΤΟ μπορούν να επηρεάσουν ανθρώπινα και ζωικά σώματα μέσω γαστρεντερικών προβλημάτων, αντοχής στα αντιβιοτικά, αλλεργιογένεσης, ποικιλίας υποβάθμισης των αγροτικών προϊόντων και ανεπιθύμητης ροής γονιδίων σε άλλα είδη. Οι βιοαισθητήρες έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση των ΓΤΟ σε τρόφιμα και ζωοτροφές χρησιμοποιώντας ισοθερμική ενίσχυση DNA και ανίχνευση σήματος ταχείας ανίχνευσης για τον εντοπισμό ΓΤ γονιδίων. Η ανίχνευση μη αναγνωρισμένων γονιδίων DNA που μπορούν να επιλυθούν με τεχνολογία υψηλής απόδοσης, όπως ο συνδυασμός βιοαισθητοποίησης και συστοιχιών, και η ανάπτυξη βάσεων δεδομένων με γονίδια ΓΤΟ είναι οι βασικές προκλήσεις στην ανίχνευση ΓΤΟ.

Βιοαισθητήρες & Βιοτσίπ για παρακολούθηση του περιβάλλοντος

Λόγω της ισχυρής σύνδεσης μεταξύ ρύπανσης του περιβάλλοντος και ανθρώπινης υγείας/ κοινωνικοοικονομικής προόδου, η παρακολούθηση του περιβάλλοντος έχει καταστεί μία από τις προτεραιότητες σε ευρωπαϊκή και παγκόσμια κλίμακα. Οι βιοαισθητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί συνήθως ως οικονομικά αποδοτικές, γρήγορες, επί τόπου και τεχνικές ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο σε αυτόν τον τομέα. Η πρόσφατη ανάπτυξη βιοαισθητήρων με νέα υλικά μεταγωγής που προέρχονται από τη νανοτεχνολογία και για πολλαπλή ανίχνευση ρύπων, με τη συμμετοχή πολυεπιστημονικών ειδικών, εξηγεί την ανάγκη για συμπαγείς, γρήγορες και έξυπνες συσκευές βιοαισθητοποίησης. Αρκετές πρόσφατες εξελίξεις υπάρχουν στην παρακολούθηση των ρύπων του αέρα, του νερού και του εδάφους από βιοαισθητήρες σε πραγματικές συνθήκες, όπως φυτοφάρμακα, πολύ τοξικά συστατικά και μικρά οργανικά μόρια, συμπεριλαμβανομένων τοξινών και χημικών που διαταράσσουν ενδοκρινικά.

Οι βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην περιβαλλοντική παρακολούθηση μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως οπτικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων οπτικών ινών και επιφανειακού συντονισμού πλάσματος), ηλεκτροχημικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων αμπερομετρικών και σύνθετων αντιστάσεων) και πιεζοηλεκτρικοί (συμπεριλαμβανομένων των βιοαισθητήρων μικροζυγοσταθμίσεων κρυστάλλου χαλαζία) με βάση τη μεταγωγή τους ή ως ανοσοαισθητήρες, ευαισθητήρες, γεννητήρες και ενζυματικοί βιοαισθητήρες με βάση τα στοιχεία αναγνώρισής τους, αντίστοιχα όταν χρησιμοποιούνται αντισώματα, απταμερή, νουκλεϊκά οξέα και ένζυμα. Η πλειοψηφία των βιοαισθητήρων στην περιβαλλοντική παρακολούθηση αναγνωρίζονται ως ανοσοαισθητήρες και ενζυματικοί βιοαισθητήρες, αλλά η ανάπτυξη των απτοαισθητήρων έχει αυξηθεί πρόσφατα λόγω των ευεργετικών χαρακτηριστικών των απταμερών, όπως η ευκολία τροποποίησης, η θερμική σταθερότητα, η σύνθεση in vitro και η ικανότητα σχεδιασμού της δομής τους, να διαφοροποιήσουν στόχους με διαφορετικές λειτουργικές ομάδες και να επαναυβριδοποιήσουν.

Μελέτη για το σχεδιασμό βιοαισθητήρων για την παρακολούθηση οργανικών ρύπων, δυνητικά τοξικών στοιχείων και παθογόνων παραγόντων στο περιβάλλον έχει οδηγήσει στη βιώσιμη ανάπτυξη του πολιτισμού λόγω των περιβαλλοντικών ρύπων που αντιμετωπίζει η ανθρώπινη υγεία. Διάφορες χρωματογραφικές τεχνικές (όπως αέρια χρωματογραφία και υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης σε συνδυασμό με τριχοειδή ηλεκτροφόρηση ή φασματομετρία μάζας) είναι συμβατικές αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την περιβαλλοντική παρακολούθηση των ρύπων, αλλά απαιτούν δαπανηρά αντιδραστήρια, χρονοβόρο προεπεξεργασία δείγματος και δαπανηρό εξοπλισμό. Ως εκ τούτου, για την παρακολούθηση των ρύπων που είναι υπεύθυνες για δυσμενείς επιπτώσεις στους βιότοπους και την ανθρώπινη υγεία, χρειάζονται απελπιστικά πιο ευαίσθητες, οικονομικά αποδοτικές, γρήγορες, εύχρηστες και συμπαγείς συσκευές βιοαισθητοποίησης για να ξεπεραστεί η μεγέθυνση των περιβαλλοντικών ζητημάτων. Σε περίπτωση τυχαίας απελευθέρωσης φυτοφαρμάκων ή οξείας δηλητηρίασης, για παράδειγμα, οι κοινές μέθοδοι δεν είναι κατάλληλες για επιτόπιες μετρήσεις όπου απαιτείται γρήγορος, μικροσκοπικός και φορητός εξοπλισμός όπως βιοαισθητήρες παρακολούθησης του περιβάλλοντος. Από αυτή την άποψη, ο ρόλος της νανοτεχνολογίας στη δημιουργία ταχείων και ευφυών συσκευών βιοαισθητοποίησης είναι καθοριστικός για την επιτυχία της ανίχνευσης περιβαλλοντικών ρύπων. Οι πιο πρόσφατοι βιοαισθητήρες περιλαμβάνουν νανοϋλικά και νέα νανοσύνθετα στα συστήματά τους, τα οποία είναι ευεργετικά για τη βελτίωση της αναλυτικής απόδοσης, όπως η ευαισθησία και τα όρια ανίχνευσης.

Για την ανίχνευση και την παρακολούθηση διαφόρων περιβαλλοντικών ρύπων, έχουν τεκμηριωθεί βιοαισθητήρες, συμπεριλαμβανομένων ανοσοαισθητήρων, απταισθητήρων, γεννητήρων και ενζυματικών βιοαισθητήρων, χρησιμοποιώντας αντισώματα, απταμερή, νουκλεϊκά οξέα και ένζυμα ως στοιχεία αναγνώρισης.

Φυτοφάρμακα

Τα φυτοφάρμακα είναι από τους σημαντικότερους περιβαλλοντικούς ρύπους λόγω της μεγάλης παρουσίας τους στο περιβάλλον. Τα εντομοκτόνα οργανικού φωσφόρου, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται συνήθως στη γεωργία και αντιπροσωπεύουν μια ομάδα φυτοφαρμάκων τα οποία, λόγω της υψηλής τοξικότητάς τους, αποτελούν τεράστιο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον. Ως εκ τούτου, καθιερώθηκαν εύκολες, ανταποκρινόμενες και μικροσκοπικές μεθοδολογίες επί τόπου, όπως οι βιοαισθητήρες, ως αναλυτικές στρατηγικές για τον εντοπισμό και την παρακολούθησή τους, χωρίς να απαιτείται πλήρης προεπεξεργασία τουδείγματος.

Προτάθηκαν μίας χρήσης αμπερομετρικοί ενζυματικοί βιοαισθητήρες (ακετυλοχολινεστεράση) για την ανίχνευση εντομοκτόνων οργανικού φωσφόρου χρησιμοποιώντας paraoxon ως πρότυπο αναλύτη που εφαρμόζει αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα κυστεαμίνης σε ηλεκτρόδια με εκτύπωση χρυσού. Οι βιοαισθητήρες μιας χρήσης έδειξαν γραμμικό φάσμα έως 40 ppb με όριο ανίχνευσης 2 ppb και ευαισθησία 113 μA mM cm-2. Χρησιμοποιώντας την αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα, η καλή αναλυτική απόδοση θα μπορούσε να οφείλεται στην ακινητοποίηση του ενζύμου με υψηλό προσανατολισμό. Ανακτήσεις 97 ± 5 τοις εκατό (n = 3) αναφέρθηκαν μετά από δοκιμή σε δείγματα νερού ποταμών που είχαν κολληθεί με 10 ppb παραόξον, υποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα τέτοιων ενζυματικών βιοαισθητήρων. Επιπλέον, η χρήση ηλεκτροδίων μίας χρήσης απορρίπτει χρονοβόρες μεθόδους όπως η επαναενεργοποίηση ακινητοποιημένων ενζύμων που χρησιμοποιούν, για παράδειγμα, διάλυμα οβιδοξίμης και ιωδιούχο πραλιδοξίμη (PAM) ή τη χρήση της ανανεώσιμης ενζυμικής μεμβράνης που απαιτείται για τη δεύτερη εφαρμογή βιοαισθητήρων. Το

Τα νανοσωματίδια που βασίζονται σε οξείδιο του ιριδίου έχουν χρησιμοποιηθεί στον ενζυματικό βιοαισθητήρα μιας χρήσης με τυροσινάση βασισμένη σε χαμηλού κόστους ηλεκτρόδια άνθρακα με εκτύπωση για την ανίχνευση χλωροπυρίφου σε δείγματα νερού ποταμών. Αναφέρθηκαν γραμμική απόκριση βιοαισθητήρα (0,01-0,1 μΜ) και χαμηλό όριο ανίχνευσης (3 nM), τα οποία θα μπορούσαν να οφείλονται στην υψηλή αγωγιμότητα των νανοσωματιδίων του οξειδίου του ιριδίου και της αποτελεσματικότητας της τυροσινάσης. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ανάκτησης σε δείγματα νερού ποταμού με την προσθήκη 0,1 μΜ χλωροπυρίφου και ανακτήθηκαν 90 ± 9,6 τοις εκατό με υπολειπόμενη τυπική απόκλιση (RSD) μικρότερη από 10 τοις εκατό (n = 3) για να καταδειχθεί η δυνατότητα εφαρμογής του βιοαισθητήρα.

Η ακεταμιπρίδη ανιχνεύθηκε με χρωματομετρικούς απταισθητήρες και δείγματα νερού από μη μετρητές ευαισθητοποίησης σε πραγματικά περιβαλλοντικά δείγματα, όπως δείγματα εδάφους φρέσκιας επιφάνειας. Παρατηρήθηκε γραμμικό εύρος 75 nM έως 7,5 μM και όριο ανίχνευσης 5 nM με τον χρωματομετρικό απτααισθητήρα, ενώ ένα ευρύτερο γραμμικό εύρος (50 fM έως 10 μM) και ένα χαμηλότερο όριο ανίχνευσης (17 fM) παρατηρήθηκε με τον απινιδόμετρο απτααισθητήρα. Τα νανοσωματίδια χρυσού, οι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNT) και οι νανοκορδέλες μειωμένου οξειδίου του γραφενίου χρησιμοποιήθηκαν σε αυτόν τον βιοαισθητήρα ως σύνθετο υλικό για τη διατήρηση του απταμερούς ακεταμιπρίδης επιφάνειας ηλεκτροδίου, το οποίο θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για υψηλότερη μεταφορά ηλεκτρονίων και βελτιωμένη αναλυτική απόδοση του βιοαισθητήρα. Ένα σχετικό όριο ανίχνευσης (33 fM) παρατηρήθηκε από έναν απτααισθητήρα βασισμένο σε νανοσωματίδια αργύρου αγκυροβολημένα σε νανοσύνθετο οξείδιο του γραφενίου με νότες αζώτου κατασκευασμένο για ανίχνευση ακεταμιπρίδης σε δείγματα λυμάτων.

Παθογόνοι παράγοντες

Η ύπαρξη παθογόνων παραγόντων σε περιβαλλοντικές μήτρες, και ιδιαίτερα σε υδατικά διαμερίσματα, θα μπορούσε να αποτελέσει σοβαρό κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία και πρόσφατα έχουν προταθεί ορισμένοι βιοαισθητήρες για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, για την ανίχνευση μεταβολικά δραστικής Legionella pneumophila σε πολύπλοκα περιβαλλοντικά δείγματα νερού, έχουν προταθεί γρήγοροι και ακριβείς οπτικοί βιοαισθητήρες βασισμένοι σε συντονισμό πλασμονίου επιφάνειας. Σε μια μελέτη, η αρχή της ανίχνευσης βασίστηκε στην ταυτοποίηση του βακτηριακού RNA από τον ακινητοποιημένο ανιχνευτή ανιχνευτή RNA στη χρυσή επιφάνεια του βιοτσίπ. Για ενίσχυση σήματος, χρησιμοποιήθηκαν κβαντικές κουκίδες συζευγμένες με στρεπταβιδίνη και η περίοδος ανίχνευσης ήταν περίπου τρεις ώρες, υποδεικνύοντας τη βιωσιμότητα της συσκευής βιοαισθητοποίησης για επιτυχή ανίχνευση βακτηρίων στην περιοχή 104-108 CFU mL-1.

Δυνητικά τοξικά στοιχεία

Η μόλυνση από βαρέα μέταλλα και αντίστοιχα ιόντα των φυσικών υδάτων μπορεί να θέσει σημαντικούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία και οι συμπαγείς, χαμηλού κόστους και γρήγορες αναλύσεις βαρέων μετάλλων αποτελούν παγκόσμια προτεραιότητα. Ως πρότυπος στόχος για τη δοκιμή ενός βιοαισθητήρα οπτικού DNA για την ανίχνευση ιόντων βαρέων μετάλλων που είναι εξαιρετικά τοξικά και συνηθισμένοι ρύποι στο περιβάλλον, χρησιμοποιήθηκαν ιόντα υδραργύρου (Hg2+). Ο βιοαισθητήρας ήταν συμπαγής, χαμηλού κόστους και γρήγορος με επιτόπιο έλεγχο Hg2+ σε φυσικά νερά σε λιγότερο από 10 λεπτά. Η αρχή της ανίχνευσης επικεντρώνεται στην ικανότητα ορισμένων μεταλλικών ιόντων να δεσμεύονται επιλεκτικά σε ορισμένες βάσεις για να σχηματίσουν σταθερά διπλά DNA με τη μεσολάβηση μετάλλων. στην περίπτωση του Hg2+, οι βάσεις θυμίνης μπορούν να συντονιστούν επιλεκτικά για να σχηματίσουν σταθερά σύμπλοκα θυμίνης- Hg2+-θυμίνης. Στο εύρος ανίχνευσης μεταξύ 0 και 1000 nM, επιτεύχθηκε όριο ανίχνευσης 1,2 nM, το οποίο είναι χαμηλότερο από τη μέγιστη τιμή που ζήτησε η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Πολιτειών (10 nM)

Για την ανίχνευση Pb2+ σε δείγματα νερού (δείγματα λίμνης και νερού λίμνης) με χρήση DNA ενζύμων/καρβοξυλιωμένων μαγνητικών σφαιριδίων και απταμερών DNA, προτάθηκαν πρόσφατα δύο οπτικοί βιοαισθητήρες με βάση τον φθορισμό. Τα όρια ανίχνευσης των 5 ηΜ και 61 ηΜ, αντίστοιχα, παρατηρήθηκαν από βιοαισθητήρες βασισμένους σε DNA ένζυμα και απταμερή DNA, με αντίστοιχο εύρος γραμμικής ανίχνευσης από 0 έως 50 ηΜ και 100 έως 1000 ηΜ. Η χρήση μοναδικής βαφής χωρίς ετικέτα (SYBER Green I), η οποία συνδυάστηκε με δίκλωνο DNA, εμφανίζοντας ισχυρές εντάσεις φθορισμού, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Επιπλέον, η απουσία έντασης φθορισμού βιοαισθητήρα παρατηρείται μόνο με τη βαφή (καμπύλη a ). Με το DNAzyme + Pb2+ (καμπύλη b) η ένταση φθορισμού αυξάνεται με την προσθήκη της βαφής + DNAzyme + Pb2+, απεικονίζοντας την ευαισθησία του βιοαισθητήρα προς το Pb2+.

Εικόνα 5. Φάσματα εκπομπών φθορισμού για ανίχνευση Pb2+

Τοξίνες

Επιβλαβείς τοξίνες όπως οι μπρεβετοξίνες και οι μικροκυστίνες δημιουργούνται από τον ευτροφισμό των υδάτινων συστημάτων από τα φύκια των κυανοβακτηρίων, και έτσι απαιτούνται ακριβή και οικονομικά αποδοτικά συστήματα για την έγκαιρη ανίχνευση τέτοιων τοξινών. Για την ευαίσθητη ανίχνευση της μπρεβετοξίνης 2, μιας θαλάσσιας νευροτοξίνης, έχει χρησιμοποιηθεί ένας ηλεκτροχημικός απτααισθητήρας που αποτελείται από ηλεκτρόδια χρυσού που λειτουργούν με αυτοσυναρμολογημένες μονοστιβάδες κυστεαμίνης. Επιτεύχθηκε όριο ανίχνευσης 106 pg mL-1 και παρατηρήθηκε ισχυρή εκλεκτικότητα για τη μπρεβετοξίνη-2 έναντι άλλων τοξινών διαφόρων ομάδων, όπως το οκαδαϊκό οξύ και η μικροκυστίνη. Η σκοπιμότητα του απτασένσορα για την ανίχνευση της brevetoxin-2 σε πραγματικά δείγματα επιτεύχθηκε με την ανάλυση οστρακοειδών και αναφέρθηκαν ισχυρές ανακτήσεις (102-110 %), υποδεικνύοντας καμία αλληλεπίδραση με την απόκριση απτασένσορα από τη μήτρα οστρακοειδών.

Χημικές ενδοκρινικές διαταραχές

Σε δείγματα νερού, η δισφαινόλη Α ανιχνεύθηκε ως ενδοκρινική διαταραχή χημικής ουσίας από ευαισθητοποιητές με βάση την αρχή του φθορισμού με λειτουργικά απταμερή (αμιδίτη φθοροσκεΐνης) και νανοσωματίδια χρυσού και με βάση οπτική ίνα κύματος που φεύγει. Ο απαλαισθητήρας οπτικών ινών με διαβροχή κύματος ήταν συμπαγής και διαπιστώθηκε ότι ήταν γρήγορος, οικονομικά αποδοτικός, ευαίσθητος και επιλεκτικός για την ανίχνευση της δισφαινόλης Α σε δείγματα νερού, χωρίς να απαιτείται κανένα στάδιο προ-συγκέντρωσης ή επεξεργασίας. Επιπρόσθετα, ο απτοαισθητήρας μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για 90 δευτερόλεπτα με αναγέννηση με διάλυμα 0,5% δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS) και περαιτέρω πλύση με διάλυμα αλατούχου ρυθμιστικού φωσφορικού (PBS) (ρΗ 7,2) για πάνω από εκατό κύκλους ανάλυσης χωρίς καμία αξιοσημείωτη απώλεια αποδοτικότητα. Παρόμοια όρια ανίχνευσης (0,1 και 0,45 ng mL-1) παρατηρήθηκαν και στους δύο οπτικούς βιοαισθητήρες όπου ο ανιχνευτής μορίου DNA, που είναι η συμπληρωματική αλληλουχία ενός μικρού κλάσματος του απταμερούς δισφαινόλης Α, προσροφήθηκε με ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων χρυσού και ακινητοποιήθηκε ομοιοπολικά στην επιφάνεια της ίνας. Πρόσφατα, για την ανίχνευση της δισφαινόλης Α σε δείγματα νερού ποταμών με χρήση νανοσωλήνων καρβιδίου μολυβδαινίου, προτάθηκε ένας άλλος απτααισθητήρας με βάση τον φθορισμό. Με έναν τέτοιο απτοαισθητήρα χωρίς ετικέτα, φθηνό και εύκολο στη χρήση, έχει επιτευχθεί ένα χαμηλό όριο ανίχνευσης 0,23 ng mL − 1. Η ειδικότητα του aptasensor αξιολογήθηκε με ανάλυση άλλων μορίων με δομές παρόμοιες με αυτές της δισφαινόλης Α (π.χ., 4,4J-διφαινόλη, διφαινόλη AF και 4,4J-σουλφονυλοδιφαινόλη) και εντοπίστηκαν μόνο σήματα υποβάθρου που δείχνουν υψηλή εξειδίκευση για τη δισφαινόλη Α για αυτά τα μόρια.

Ένας ηλεκτροχημικός ανοσοαισθητήρας μιας χρήσης και χωρίς ετικέτες, βασισμένος σε τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με SWCNT, χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα σε δείγματα θαλασσινού νερού για την αξιολόγηση μιας άλλης ενδοκρινικής διαταραχής χημικής ουσίας-4-νονυλοφαινόλης. Ο ανοσοαισθητήρας έχει υψηλή αναπαραγωγιμότητα (0,56 ± 0,08%), μέση ανάκτηση 97,8% έως 104,6% και χαμηλό όριο ανίχνευσης (5 μg L-1), το οποίο είναι χαμηλότερο από τη συνιστώμενη μέγιστη συγκέντρωση 7 μg L-1 που καθορίζεται με τους αντίστοιχους κανονισμούς. Σε δείγματα θαλασσινού νερού όπως η 4-νονυλοφαινόλη, ο βιοαισθητήρας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό επικίνδυνων ουσιών προτεραιότητας, ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις και με εύκολη και χαμηλού κόστους μεθοδολογία.

Άλλες περιβαλλοντικές ενώσεις

Νέες, γρήγορες και ακριβείς αναλυτικές μεθοδολογίες χρειάστηκαν για την έγκαιρη ανίχνευση και παρακολούθηση διαφόρων άλλων επικίνδυνων ενώσεων που απελευθερώθηκαν κατά τη διάρκεια της ανθοφορίας των φυκιών. Λόγω της εξαιρετικής ευαισθησίας και εξειδίκευσης των ανιχνευτών νουκλεϊνικού οξέος στους συμπληρωματικούς συνεργάτες δέσμευσής τους, έχουν αναπτυχθεί βιοαισθητήρες για την ανίχνευση RNA φυκιών. Για την ενισχυμένη επιλεκτική και ευαίσθητη ανίχνευση RNA από 13 επιβλαβείς οργανισμούς φυκιών, πρόσφατα αναφέρθηκε ένας ηλεκτροχημικός γενοαισθητήρας βασισμένος σε ηλεκτρόδιο χρυσού με εκτύπωση οθόνης, ο γενοαισθητήρας θα μπορούσε να διακρίνει τους στόχους RNA από περιβαλλοντικά δείγματα (δείγματα θαλασσινού νερού με αιχμές) που περιέχουν 105 κύτταρα, που θεωρούνται ως το όριο ανίχνευσης.

Test: LO3 Προχωρημένο επίπεδο

Βιβλιογραφικές αναφορές

  • 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.