Главная страница

Биосенсоры. Шавыркина Н.А. 14.05.2018. Биосенсоры на основе клеток микроорганизмов Шавыркина Н. А., к т. н., доцент кафедры бт


Скачать 3.57 Mb.
НазваниеБиосенсоры на основе клеток микроорганизмов Шавыркина Н. А., к т. н., доцент кафедры бт
Дата12.10.2020
Размер3.57 Mb.
Формат файлаppt
Имя файлаБиосенсоры. Шавыркина Н.А. 14.05.2018.ppt
ТипДокументы
#58016

Подборка по базе: Идентификация на основе частотных характеристик.docx

Биосенсоры на основе клеток микроорганизмов Шавыркина Н.А., к.т.н., доцент кафедры БТ


II Всероссийская научно-практическая конференция
«ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИННОВАЦИЙ В БИОТЕХНОЛОГИИ»
14–16 июня, г. Бийск

БИОСЕНСОРЫ


БИОСЕНСОРЫ
Многочисленные исследования последних лет показали, что биосенсорная детекция является эффективным подходом к определению широкого спектра токсичных веществ в образцах окружающей среды.
Специфическая область биосенсоров возникла в начале 60-х годов на стыке биологии и аналитической химии. Отправной точкой в развитии биосенсоров стал 1962г.‚ когда американскому ученому Л.Кларку‚ работавшему в клинической лаборатории, пришла мысль объединить высокоспецифическую ферментную систему и чувствительный электрохимический датчик в единый прибор, названный им ферментным электродом. Последовавшая затем грандиозная работа с бесконечными вариациями этой темы постепенно раздвинула горизонты этой области.





Микробные сенсоры представляют собой иммобилизованные на преобразователях различных типов клетки микроорганизмов.
Для включения микроорганизмов в состав биосенсоров в основном применяются нековалентные методы – физическая адсорбция на поверхности носителей и включение в гели.
Описаны также методы аффинной иммобилизации с использованием специфических антител, а также наночастиц золота и парамагнитных материалов.




СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОСЕНСОРА


СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОСЕНСОРА





Классический биосенсор состоит из трех элементов:
биорецептора, который взаимодействует с молекулами поллютантов,
физико-химического преобразователя, который трансформирует биологическую реакцию в физико-химический сигнал,
микроэлектронного блока, который усиливает сигнал и преобразует его в цифровую запись.
Биологической составляющей этих устройств могут быть микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела. Используются различные варианты датчиков: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические, термометрические и др.


ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ДЕЙСТВИЯ БИОСЕНСОРА





На первом этапе происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества в смеси.
На второй стадии биоматериал, иммобилизованный на физическом датчике (преобразователе) при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал.
На последней стадии сигнал регистрируется преобразователем электрохимического, оптического или иного типа.
Эти изменения могут непосредственно быть зарегистрированы электрохимическими датчиками, например, кислородным электродом или рН – метром.


Биосенсоры, функционирующие без добавления реагента, называют безреагентные, с добавлением – реагентными.
Биосенсоры, способные быстро и воспроизводимо восстанавливаться называют многоразовыми (мониторинг увеличения или уменьшения концентрации определяемого вещества).
Биосенсоры, которые не могут быть воспроизводимо и быстро восстановлены, т.е. теряют свои функциональные свойства, называют одноразовыми (биотесты, биоиндикаторы).





По биохимическому компоненту:
Ферментные сенсоры включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогенаты тканей или микробных культур).

Микробные биосенсоры используют микроорганизмы. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.

Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины -защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).

ДНК-сенсоры включают нуклеиновые кислоты (ДНК).





По способу измерения сигнала:
Электрохимические биосенсоры работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометрические биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами –рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).
Пьезоэлектрические биосенсоры чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.
Оптические биосенсоры реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры –интенсивность поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.
По области применения:
экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.




Преимущества целых клеток микроорганизмов, как компонентов биосенсоров, перед индивидуальными ферментами


1. Способность окислять широкий спектр химических соединений, в том числе ксенобиотиков.
2. Содержат мультиферментные системы, что также увеличивает возможности применения биосенсоров для детекции соединений различного строения.
Таким образом, биосенсоры могут быть использованы не только для определения содержания индивидуальных соединений, но и для определения таких комплексных показателей загрязнения водных сред, как биологическое потребление кислорода (БПК), цитотоксичность, мутагенность и т.д.
3. Способны адаптироваться к неблагоприятным условиям.
4. Проявляют большую стабильность, чем свободные ферменты.
5. Доступны и имеют сравнительно низкую стоимость, не требуют дорогостоящих стадий очистки.
6. Клетки микроорганизмов несложно культивируются, воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре.




Недостатки


1. Мультиферментность – часть ферментов может взаимодействовать с соединениями, присутствующими в пробе и не относящимися к целевым. В этом случае возникает ошибка анализа.
2. Реакции протекают более медленно, так как субстраты должны проникнуть в клетку через мембрану и по такому же пути продукт должен выйти из клетки. Так же поэтому макромолекулярные субстраты не могут быть использованы для детекции клеточными биосенсорами.
3. Образование побочных продуктов, это приводит к снижению селективности клеточного биосенсора.
4. Высокая приспособляемость и изменчивость микроорганизмов.
5. Проблема биологической устойчивости, связанная с необходимостью длительного хранения и поддержания жизнедеятельности иммобилизованных на датчике микроорганизмов.





Областями наиболее интенсивного применения микробных сенсоров являются
- экологический контроль
- клинические исследования





Примеры использования микроорганизмов для создания биосенсоров:
1. Для определения присутствия веществ:
Neigrospora europea - для определения аммиака,
Trichosporon brassicae - для определения уксусной кислоты,
Sarcina flava - для определения глутамина,
Azotobacter vinelaudit - для определения нитратов





Примеры использования микроорганизмов для создания биосенсоров:
2. Измерение потребления кислорода (показатель органического загрязнения природных или сточных вод), измеряемое амперометрически по поглощению О2 или потенциометрически по образованию СО2 клетками гриба Trichosporon cutaneum или бактерий Azotobacter vinelandii,
E- coli и др.;
3. Определение токсичности водного раствора или воздуха, измеряемая сенсорами на базе иммобилизованных цианобактерий, у которых активность фотосистемы II снижается при наличии в среде токсических компонентов, особенно гербицидов;
4. Оценка мутагенного действия тестируемого агента, определяемое стандартными методами обнаружения мутантных клеток, например, растущих и соответственно выделяющих СО2 лишь на обогащенной среде.





Примеры использования микроорганизмов для создания биосенсоров:
5. В медицине:
- Определение глюкозы - амперометрический биосенсор на основе бактериальных клеток Gluconobacter oxydans имеет высокую стабильность и точность, высокую чувствительность к глюкозе и позволяет производить надежную оценку ее содержания в сыворотке крови человека.
- биосенсор для диагностики рака - в лаборатории генной инженерии НИИ физико-химической медицины Росздрава российским учёным удалось сконструировали биосенсор с бактерией Helicobacter pylori, с помощью которой на ранней стадии по изменению среды желудка выявляют раковую опухоль.





Биолюминесцентные бактерии представлены 3 родами морских микроорганизмов: Photobacterium, Vibrio и Shewanella, а также наземным родом Photorhabdus.
Люминесценция генерируется в ходе окислительной реакции, катализируемой люциферазой.
Субстратами ее являются алифатический альдегид, молекулярный кислород и восстановленный флавинмононуклеотид.
В результате реакции образуются флавинмононуклеотид, карбоксилат и голубой свет с длиной волны 490 nm.
FMN*H2 + О2 + R-СНО = FMN + Н2О + R-COOH + hv (490 нм)





Примеры использования микроорганизмов для создания биосенсоров

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!


СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!






написать администратору сайта