Introdução_Biossensores_Nanobiossensores

Nanobiossensores e Biosensores de Células e Tecidos

Sumário
 Situação Problema: Pesquisadora identifica biomarcadores para diagnóstico de câncer de
tireoide;
 Nanotecnologia e Nanobiotecnologia;
 Nanomateriais e sua Classificação;
 Biossensores e Nanobiossensores;
 Aplicações em Células e Tecidos;
 Síntese do Conteúdo: Mapa Mental;
 Sugestões de Leitura;
 Sugestões de Vídeo.
Prof. Everson Thiago
Prof. Dr. Rômulo B. Vieira - romulo.ifba@gmail.com

Situação Problema

Nanotecnologia e Nanobiotecnologia
• Nanotecnologia
 A Nanotecnologia é uma tecnologia multidisciplinar que alia os ensinamentos da Química,
Biotecnologia, Física, Eletrônica, Engenharia, entre outros;
 Produzir novos produtos, ou melhorar as características de produtos já existentes, à nanoescala
“onde as distinções entre a Física Quântica, a Química Molecular, a Ciência dos Materiais e a
Biotecnologia se tornam menos relevantes”;

• Nanotecnologia
 O conceito de nanotecnologia surgiu em 1959 e foi apresentado
inicialmente pelo físico e teórico Richard Feynman (There’s a
plenty of room at the bottom);
 O termo surgiu mais tarde, em 1974, através de Norio Taniguchi para
se referir à capacidade de operar materiais ao nível nanométrico;
 Largamente difundida pelo engenheiro Kim E. Drexler no seu livro
“Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology”, de 1987.

• Nanotecnologia
 A natureza multidisciplinar a
Nanotecnologia permite que
esta possa ser dividida em
vários ramos;
 Um dos ramos mais promissores
consiste na Nanobiotecnologia,
que une a Nanotecnologia com
a Biotecnologia.

Combinação das ideias, ferramentas
e materiais da Nanotecnlogia e da
Biotecnologia
Nanotecnologia aplicação às Ciências
da Vida
Nanotecnologia Inspirada na Biologia:
• Enzimas Artificiais;
• Nanobiossensores;
• Tecnologias do tipo Organ-on-chip.
Aplicação da Nanotecnologia para Tratar Problemas Biológicos:
• Nanoestruturas em Drug Delivery;
• Nanoestruturas em Embalagens Ativas e/ou Inteligentes;
• Nanoestruturas para Defensivos Agrícolas.
• Nanobiotecnologia

• Nanobiotecnologia
 A Nanobiotecnologia está a
ultrapassar os limites do
diagnóstico molecular atual e a
facilitar o diagnóstico no local
de atendimento, a integração
do diagnóstico com a
terapêutica e, assim, promover
o desenvolvimento da
medicina personalizada.

Nanomateriais e sua Classificação
• Classificação por Dimensionalidade

• Classificação por Constituintes

• Porque utilizar Nanomateriais?
Razão Área Superficial/Volume Elevada!

• Porque utilizar Nanomateriais?
Comportamento de Ponto Quântico
(Quantum dot) – Aumento do bandgap

• Síntese dos Nanomateriais

• Síntese dos Nanomateriais – Método Sol-Gel
TEOS (Tetraetilortosilicato)

• Síntese dos Nanomateriais – Método Self-Assembly

Biossensores e Nanobiossensores
 Dispositivo constituído de um elemento de reconhecimento biológico (anticorpos, enzimas,
proteínas, ácidos nucléicos, organelas e células), com a propriedade de reconhecer e interagir
com o analito de interesse;
 Essa interação resulta na alteração de propriedades físico-químicas, que são detectadas e
medidas pelo transdutor, que converte a informação em um sinal mensurável.
• Biossensores

• Biossensores

• Biossensores Mistura de analitos - Amostras humanas (sangue, urina, saliva), célula lisada
Metabólito
(Glucose)
Antígeno
(Proteínas)
Oligonucleotídeos
(Ácido Nucléico)
Captura de bioanalitos alvo por sondas de bioreconhecimento complementar
Superfície do substrato imobilizada com porções de bioreconhecimento específicas do alvo para interação específica e eficiente
Molécula receptora de
metabólico específico
Anticorpo Proteína de ligação ao DNA
Bioanalitos Alvo
Sonda de
bioreconhecimento

• Biossensores
Geração de sinais devido à interação do
bioanalito alvo com a sonda de
bioreconhecimento
Transdutores
Transdução
do Sinal
Amplificação do sinal
Processamento do sinal
Sistema
Eletrônico
Unidade de exibição

• Biossensores
 Podem ser classificados com base na sonda de bioreconhecimento, técnica de detecção e tipo de
interação utilizada na detecção de bioanalitos.

• Biossensores
Com base na
metade de bioreconhecimento
• Sensor microbiano
• Sensor imunológico
• Sensor enzimático
• Sensor baseado em célula
Com base na
técnica de detecção
• Sensor térmico
• Sensor de tubo de efeito de campo
• Sensor piezoelétrico
• Sensor óptico
• Sensor acústico
Interação entre material
biologicamente sensível
• Sensor de afinidade
• Sensor metabólico

 Os avanços no campo da Nanotecnologia/Nanobiotecnologia proporcionam um impulso necessário
para o desenvolvimento da tecnologia de Nanobiossensores;
 Parâmetros como linearidade, especificidade, sensibilidade, prazo de validade, limite de
detecção, tempo de resposta e reprodutibilidade requerem uma otimização individual/singular
e determinam o desempenho de um Nanobiossensor;
 Esses dispositivos baseados em nanomateriais melhoraram significativamente os parâmetros acima
quando comparados com a versão bulk devido ao aumento da área de superfície relativa e ao
efeito de confinamento quântico;
• Nanobiossensor

 Dispositivo em escala nanométrica que possui uma região composta por elementos de
reconhecimento biológico, que são seletivos para um analito específico, e que está ligada
covalentemente a um transdutor, possuindo ainda um processador de sinal;
 A interação do analito com o bioreceptor resulta numa perturbação físico-química no
nanobiossensor que pode ser convertida sob a forma de um sinal mensurável cuja magnitude
aumenta à medida que a sua concentração também aumenta.
• Nanobiossensor

 O primeiro e mais importante passo para a fabricação de nanobiossensor é a seleção de um
substrato adequado (lâmina de vidro, silício, ouro, óxido de índio e estanho);
 Após a seleção do substrato, o próximo passo é limpar a superfície do substrato adequadamente
para remover as impurezas, que podem ser feitas por meio de métodos físicos (laser de alta
potência e/ou químicos (solventes orgânicos como acetona, isopropanol);
• Fabricação do Nanobiossensor

 A morfologia do substrato desempenha um papel importante na decisão da especificidade e
estabilidade do nanobiossensor que depende da imobilização estável da sonda de
bioreconhecimento no substrato em uma forma ativa;
 A seleção da morfologia do substrato é uma das etapas importantes durante o processo de
fabricação de nanobiossensores;

 O aprimoramento da superfície é seguido pela funcionalização da superfície;
 É necessário para manter a densidade ideal da sonda de bioreconhecimento e permitir uma
interação estável entre a superfície e a sonda imobilizada;
 A estratégia de funcionalização baseia-se na presença de grupos funcionais livres disponíveis na
sonda de bioreconhecimento para conjugação.

• Tipos de Nanobiossensores
 Cantilevers (Nanomecânicos);
 Nanotubos de carbono;
 DNA baseados em FRET (transferência de energia de ressonância por fluorescência);
 Canais Iônicos;
 Eletrônicos;
 Eletroquímicos;
 Micro e nanobalança de quartzo;
 Virais;
 PEBBLE (Probes Encapsulated By Biologically Located Embedding);
 Óticos;
 Nanofios.

• Tipos de Nanobiossensores - Cantilevers
Modo dinâmico – variação da
frequência de ressonância
Modo estático – defleção por
aumento de temperatura
Modo estático – Stress
superficial – Defleção negativa
Modo estático – Stress
superficial positiva

Aplicações em Células e Tecidos
 Os Nanobiossensores possuem uma variedade de aplicações em várias áreas, como: medicina,
indústria e meio ambiente;
 Na área analítica e de diagnóstico, a sua investigação tem crescido amplamente ao longo da
última década;
 Esse resultado surge da apresentação de numerosos dispositivos e métodos de detecção cada vez
mais sofisticados que, comparativamente aos métodos tradicionais, possuem qualidades ou
propriedades que os tornam mais vantajosos.

• Nanobiossensores para detecção de COVID-19
 O mundo inteiro enfrenta uma doença viral mortal
chamada COVID-19, causada por um novo vírus corona –
ou seja, síndrome respiratória aguda grave coronavírus-2
(SARS-CoV-2), primeiro relatado em dezembro de 2019
em Wuhan, China;
 Necessidade de desenvolver um sensor dispositivo que
consuma menos tempo, seja barato, facilmente
acessível a todos e eficiente;
 Assim, os Biossensores e Nanobiossensores são ideais
para fornecer uma detecção contínua e em tempo real.

Nanobiossensor à base de grafeno (G-FET) decorado com nanopartículas de ouro (AuNP) que
foram funcionalizadas/imobilizada com uma sonda complementar de oligos de
fosforodiamidato morfolino (PMO)

• O Futuro dos Nanobiossensores
 Inclui principalmente três tecnologias: Nano, Bio e Sensor;
 A fusão completa produz um nanobiossensor para aplicações POCT (Point-of-care-testing) - Teste
no local de atendimento;

Síntese do Conteúdo: Mapa Mental
Nanotecnologia Nanobiotecnologia Nanomateriais
Biossensores
Nanobiossensores
Aplicações em
Células e Tecidos
Detecção e
Monitoramento de
COVID-19
POCT
Point-of-care-
testing

Sugestões de Leitura

Sugestões de Vídeo
Como construir uma nanojaula: Sílica auto-organizada
https://www.youtube.com/watch?v=VqMTNZsWvBU&t=105s

Muito Obrigado!

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