Biossensores EnzimáTicos

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Biossensores EnzimáTicos

  1. 1. Faculdade de Engenharia Metalúrgica e de Minas Universidade Federal de Minas Gerais Área de concentração - Ciência e Engenharia de Materiais - Biossensores enzimáticos: estado da arte Janaina Cecília Oliveira Villanova Disciplina: Bioconjugados, Biossensores e Bioeletrônica Prof. Dr. Herman Sander Mansur Belo Horizonte 2009
  2. 2. O que é um biossensor? Dispositivo analítico, ao qual se encontra acoplada uma entidade de reconhecimento, biológica ou biologicamente derivada, integrada ou associada a um transdutor físico-químico. Entidade biológica  elemento de biorreconhecimento, responsável pela detecção do analito; Transdutor  conversão do estímulo em forma mensurável de energia.
  3. 3. O que é um biossensor?
  4. 4. Características gerais • Compactos; • Portáteis ou não; • Implantáveis ou não; • Respondem em tempo real ou em curto espaço de tempo; • Requerem manipulação mínima da amostra; • Fácil manuseio; • Caros.
  5. 5. Atributos requeridos Seletividade / especificidade; Sensibilidade; Linearidade; Reprodutibilidade; Limite de detecção e quantificação; Robustez; Estabilidade; Capacidade de miniaturização.
  6. 6. Possibilidades de aplicação Médica  monitoramento das condições de pacientes portadores de problemas crônicos; Biomédica  diagnósticos rápidos e precisos, em tempo real; Alimentícia  detecção de contaminantes químicos, biológicos e toxicológicos; Farmacêutica  screening de fármacos, análise de insumos farmacêuticos e produtos acabados, monitoramento in vivo da ação de fármacos e toxinas; Ambiental  monitoramento da contaminação em águas, resíduos industriais e emissão de gases poluentes;
  7. 7. Possibilidade de aplicação Biotecnológica  otimização do bioprocesso para obtenção de biocombustível; Militar  detecção de toxinas e patógenos no combate do bioterrorismo; Agricultura  detectar e quantificar patógenos bacterianos e virais, definindo posições com auxílio de sistema de posicionamento global (GPS). Detectar pesticidas em alimentos e no solo; Pecuária  detecção de fármacos residuais em animais destinados ao consumo como alimentos.
  8. 8. Componentes do biossensor
  9. 9. Classificação • Elemento de biorreconhecimento  afinidade, enzimático, híbrido; • Tipo de transdução  elétrico, eletroquímico, óptico, térmico, piezoelétrico, magnético. Biorreceptores e métodos de transdução para biossensores. Adaptado de: MORRISON et al., 2007.
  10. 10. Biossensor enzimático • Elemento de biorreconhecimento  enzimas; • Fundamento  catálise; • 1º biossensor enzimático foi desenvolvido por Clark, em 1959 e descrito em 1962. 1918 - 2005
  11. 11. Biossensor enzimático The Clark Oxygen Polarograph Electrode. Patent Pending Document, May 1956.
  12. 12. Biossensor enzimático • Enzimas  especificidade; • Atividade catalítica  atuam em meio aquoso, em condições ótimas de temperatura e pH .
  13. 13. Biossensor enzimático Enzima imobilizada  catálise do substrato; Transdutor  monitorar o desaparecimento de algum reagente ou o aparecimento de algum produto da reação entre o biorreceptor e o substrato em análise; Cossubstratos eletroativos  Imobilização física ou química H2O2, CO2, NH3, O2, ácidos.
  14. 14. Biossensor enzimático Fator crítico  imobilização do receptor na superfície do transdutor; Ligação  estável, durável e não comprometer a especificidade do receptor pelo analito. Imobilização via grupo funcional específico: hidroxilas (-OH), carbonilas (C=O), carboxilas (COOH) e aminas primárias (NH2).
  15. 15. Biossensor enzimático Fator crítico  dependência de espécies eletroativas; Solução  presença de mediadores capazes de extrair os elétrons do centro catalítico e transferi-los diretamente aos eletrodos, gerando um circuito elétrico; Material do eletrodo e/ou de revestimento  condução: Polímeros; Polímeros condutores eletroativos (EPC’s): PANI, Nafion®, polipirrol; Compósitos: carbono e sílica.
  16. 16. Biossensor enzimático Biossensores enzimáticos de 1ª geração (a), 2ª geração (b) e 3ª geração (c).
  17. 17. Biossensor enzimático Eletrodos quimicamente modificados PEREIRA, A.C.; SANTOS, A.S.; KUBOTA, L.T. Tendências em modificação de eletrodos amperométricos para aplicações eletroanalíticas . Química Nova, v.25, n.6, p.1012-1021, 2002.
  18. 18. Biossensor enzimático Self-assembly (auto-organização) Auto-organização de camadas moleculares em uma superfície de ouro (Au). Fonte: http://www.ifm.liu.se/applphys/ftir/sams.html
  19. 19. Biossensor enzimático Monitoramento do analito: 1. Detecção da redução de cossubstratos consumíveis; 2. Detecção do aumento de espécies eletroativas produzidas; 3. Detecção na evolução do estado redox do biocatalizador; 4. Transferência direta de elétrons entre o sítio ativo da enzima e o transdutor. Inibição enzimática  reversível e reversível; Análise de pesticidas e substâncias tóxicas.
  20. 20. Biossensor enzimático Exemplos de enzimas imobilizadas em biossensores
  21. 21. Determinação de compostos fenólicos ROSATTO, S.S. et al. Biossensores amperométricos para determinação de compostos fenólicos em amostras de interesse ambiental. Química Nova, v.24, n.1, p.77-86, 2001.
  22. 22. Determinação de dicarbamatos LIMA, R.S. biossensor enzimático para detecção de fungicidas ditiocarbamatos. Estudo cinético da enzima aldeído desidrogenase e otimização do biossensor. Química Nova, v.30, n.1, p.9-14, 2007.
  23. 23. Determinação de colesterol MARTINS, M. Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool vinílico)/ftalocianina. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p.
  24. 24. Determinação de stress oxidativo ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001.
  25. 25. Determinação de L-lactato LOWINSOHN, D.; BERTOTTI, D. Sensores eletroquímicos: considerações sobre mecanismos de funcionamento e Aplicações no monitoramento de espécies químicas em ambientes microscópicos. Química Nova, v.29, n.6, p.1318-1325, 2006.
  26. 26. VII. Considerações finais BioMEMS (Biomedical or Biological Micro-Electro- Mechanical Systems)  dispositivos construídos em micro ou nanoescala, empregados para processar, liberar, manipular ou analisar entidades químicas e biológicas; Áreas afins  bioinformática, engenharia de materiais, bioquímica, medicina, química, física e bioeletrônica; Estratégias  novos materiais, mediadores e técnicas de imobilização.
  27. 27. VII. Considerações finais Monitoramento em tempo real PEJCIC, B.; MARCO, R.; PARCKINSON, G. The role of biosensors in the detection of emerging infectious diseases. RSC, v.131, p.1079-1090, 2006.
  28. 28. VII. Considerações finais Resposta em tempo real
  29. 29. VII. Considerações finais REFERÊNCIAS ABEL, P.U. et al. Stability of immobilized enzymes as biosensors for continuous application in vitro and in vivo. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, v.7, p.93-100, 1999. ALFAYA, A.A.S.; KUBOTA, L.T. A utilização de materiais obtidos pelo processo de sol-gel na construção de biossensores. Química Nova, v.25, n.5, p.835-841, 2002. BASHIR, R. BioMEMS: state-of-the-art in detection, opportunities and prospects. Advanced Drug Delivery Review, v.56, p.1565-1586, 2004. BOGUE, R. Developments in biosensors – where are tomorrow’s markets? Sensor Review, v.25, n.3, p.180-184, 2005. BRABANDER, H.F. et al. Residue analysis: Future trends from a historical perspective. Journal of Chromatography A. In press. 2009. BRITO, N.M. et al. Validação de métodos analíticos: estratégia e discussão. Pesticidas: Ecotoxicologia e Meio Ambiente, v.23, p.129-146, 2003. BRUNO, L. et al. Imobilização de Proteínas do Veneno do Escorpião Tytius Serrulatus em Blenda Condutora de Polianilina- Poli(Metacrilato de Hidroxietila). Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.14, n.3, p.156-161, 2004. BUCKINGHAM, B. et al. Continuous glucose monitoring in children with type 1 diabetes. Journal of Pediatrics, v.151, p.388-93, 2007. CHAMBERS, J.P. et al. Biosensor recognition elements. Current Issues in Molecular Biology, v.10, p.1-12, 2008. DAHWAN, G.; SUMANA G.; MALHOTRA, B.D. Recent developments in urea biosensors. Biochemical Engeneering Journal, v.44, p.42-52, 2009. DENG, A. P.; YANG, H. A multichannel electrochemical detector coupled with an ELISA microtiter plate for the immunoassay of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid. Sensors and Actuators, v.124, p.202-208, 2007. FERNANDES, E.G.R. Biossensores Nanoestruturados para Monitoração de Glicose. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2005. 175p.
  30. 30. VII. Considerações finais FIALHO, O.F.; CAPELATO, M.D. Biossensores. Química Nova, v.14, n.1, p.28-39, 1991. FREIRE, R.S.; PESSO, C.A.; KUBOTA, L.T. Emprego de monocamadas auto-organizadas no desenvolvimento de sensores eletroquímicos. Química Nova, v.26, n.3, p.381-389, 2003. GRAYSON, A.C.R. A BioMEMS Review: MEMS Technology for Physiologically Integrated Devices. Proceedings of IEEE, v.92, n.1, p.6-21, 2004. HANASHI, T. et al. BioCapacitor—A novel category of biosensor. Biosensors and Bioelectronics, v.24, p.1837-1842, 2009. HOSSAIN, S.M.Z.; SHINOHARA, H.; KITANO, H. Drug Assessment Based on Detection of L-Glutamate Released from C6 Glioma Cells Using an Enzyme Luminescence Method. Analitycal Chemistry, v.80, n.10, p.3762-3768, 2008. JÚNIOR, L.V.; HÖEHR, N.F.; VELLASCO, A.P.; KUBOTA, L.T. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001. KIPRIANOU, D. et al. New reactive polymer for protein immobilisation on sensor surfaces. Biosensors and Bioelectronics, v.24, p.1365-1371, 2009. KOSHLAND, D.E. Application of a theory of enzyme specificity to protein Synthesis. PNAS, v.44, p.98-104, 1958. LEE, T.M. Over-the-Counter Biosensors: Past, Present, and Future. Sensors, v.8, p.5535-5559, 2008. LIMA, R.S. biossensor enzimático para detecção de fungicidas ditiocarbamatos. Estudo cinético da enzima aldeído desidrogenase e otimização do biossensor. Química Nova, v.30, n.1, p.9-14, 2007. LOJOU, E.; BIANCO, P. Application of the electrochemical concepts and techniques to amperometric biosensor devices. Journal of Electroceramics, v.16, n.1, p.79-91, 2006. MARTINS, M. Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool vinílico)/ftalocianina. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 162p. MARQUES, P.R.B.O.; YAMANAKA, H. Biossensores baseados no processo de inibição enzimática. Química Nova, v.31, n.7, p.1791-1799, 2008.
  31. 31. VII. Considerações finais MONOSTÓRI, P. et al. Determination of glutathione and glutathione disulfide in biological samples: An in-depth review. Journal of Chromatography B. In press. 2009. MORRISON, D.W.G et al. Clinical Applications of Micro- and Nanoscale Biosensors. In: Biomedical Nanostructures. 2007. 507p. MURAKAMI, A.; SABBATINI, A. Sensores de Glicose e Bombas de Insulina - Em Busca do Pâncreas Artificial. Disponível em: <www.alexandre.sabbatini.com/documentos/pancreas-artificial.pdf> Acesso: 22/06/2009. NAGEL, B.; WARSINKE, A.; KATTERLE, M. Enzyme Activity Control by Responsive Redoxpolymers. Languimir, v.23, p.6807-6811, 2007. NAN, C. et al. Activation of nylon net and its application to a biosensor for determination of glucose in human serum. Enzyme and Microbial Technology, v.44, p.249-253, 2009. NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger - Princípios de Bioquímica. 3ª ed. São Paulo: Sarvier. 2002. NEWMAN, J.D.; SETFORD, S.J. Enzymatic Biosensors. Molecular Biotechnology, v.32, p.249-269, 2006. NYQUIST, R.M. et al. Characterization of Self-Assembled Monolayers for Biosensor Applications. Languimir, v.16, p.1793-18000, 2000. PINHEIRO, S.C.; RAIMUNDO JR., I.M. Uso de membranas de Nafion® para a construção de sensores ópticos para medidas de pH. Química Nova, v.28, n.5, p.932-936, 2005. PEREIRA, A.C.; KUBOTA, L.T. Otimização da preparação de eletrodo de pasta de carbono contendo riboflavina imobilizada em suporte inorgânico. Química Nova, v.27, n.5, p.725-729, 2004. RAZZINO, C.A. Desenvolvimento, caracterização e utilização de um nanobiossensor enzimático para a determinação da carbaril. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade de São Paulo. 2007. 96p. ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001. SAERENS, D. et al. Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development, Sensors, v.8, p.4669-4686, 2008.
  32. 32. VII. Considerações finais RAZZINO, C.A. Desenvolvimento, caracterização e utilização de um nanobiossensor enzimático para a determinação da carbaril. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade de São Paulo. 2007. 96p. ROVER JR., L. et al. Sistema antioxidante envolvendo o ciclo metabólico da glutationa associado a métodos eletroanalíticos na avaliação do estresse oxidativo. Química Nova, v.24, n.1, p.112-119, 2001. SAERENS, D. et al. Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development, Sensors, v.8, p.4669-4686, 2008. SANTOS, A.N. aspectos bioeletroquímicos de dendrímeros como nanoplataformas para aplicações clínicas. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2008. 178p. SANZ, V.; MARCOS, S.; GALBÁN, J. A blood-assisted optical biosensor for automatic glucose determination. Talanta, v.78, p.846-851, 2009. SHARMA, A.; ROGERS, K.R. Biosensors. Measurement Science and Technology, v.5, p.461-472, 1994. SOARES, J. C.; SANCHES, E. A.; GONCALVES, D. Detecção de Uréia em Biossensores de Polipirrol por meio de Transdutores Potenciométricos e Amperométricos. In: 11º Simpósio em Ciência e Engenharia de Materiais - SICEM, 2008, São Carlos - SP. SPIRIDONOVA, V.Z.; KOPYLOV, A.M. DNA Aptamers as Radically New Recognition Elements for Biosensors. Biochemistry, v.67, n.6, p.706-709, 2002. STREHLITZ, B.; NIKOLAUS, N.; SOLTENBURG, R. Protein Detection with Aptamer Biosensors. Sensors, v.8, p.4296-4307, 2008. THÈVENOT, D.R. et al. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Biosensor & Bioeletronics, v.16, p.121-131, 2001. TROJANOWICZ, M.; HITCHMAN, M.L. Determination of pesticides using electrochemical biosensors. Trends in Analytical Chemistry, v.15, n.1, p.38-45, 1996 TURNER, A.P. Biosensors – sense and sensitivity. Science, v.290, p.1315-1317, 2000. URBAN, G.A. Micro- and nanobiosensors—state of the art and trends. Measurement Science And Technology, v.20, p.1-18, 2009.
  33. 33. VII. Considerações finais VIEIRA, N.C.S. Biossensores de Glicose Nanoestruturados Baseados em Dendrímeros PAMAM e Filmes finos de In2O3:Sn. Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre. Universidade Federal de Itajubá. 2006. 141p. VO-DIHN, T.; CULLUM, B. Biosensors and biochips: advances in biological and medical diagnostics. Freseniu’s Journal of Analytical Chemistry, v.366, p.540-551, 2000. WANG, P. et al. Cell-based biosensors and its applications in biomedicine. Sensors and Actuators B, v.108, p.576-584, 2005. WANG, J. Electrochemical Glucose Biosensors. Chemical Reviews, v.108, p.804-825, 2008. WASSUM, K. et al. Silicon Wafer-Based Platinum Microelectrode Array Biosensor for Near Real-Time Measurement of Glutamate in Vivo. Sensors, v.8, p.5023-5036, 2008. WILSON, G.S.; HU. Y. Enzyme-Based Biosensors for in Vivo Measurements. Chemical Reviews, v.100, n.7, p.p.2396-2704, 2000. WINK, S.J. et al. Self-assembled Monolayers for Biosensors. Analyst, v.122, p.43R-50R, 1997. XU, F. et al. Combined Affinity and Catalytic Biosensor: In Situ Enzymatic Activity Monitoring of Surface-Bound Enzymes. Journal of the American Chemical Society, v.127, n.38, p.13084-13085, 2005. YASUZUWA, M. Preparation of glucose sensors using the Langmuir–Blodgett technique. Sensors and Actuators B, v.65, p.241-243, 2000. ZHANG, F. et al. Amperometric sensor based on ferrocene-doped silica nanoparticles as an electron transfer mediator for the determination of glucose in rat brain coupled to in vivo microdialysis. Journal of Electroanalytical Chemistry, v.571, p.133-138, 2004.

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