I biosensori hanno rivoluzionato i campi della medicina e delle biotecnologie attraverso la rilevazione e la caratterizzazione di molecole bersaglio in fluidi biologici complessi. Un biosensore è un dispositivo che utilizza una molecola recettore biologica, come un enzima, per rilevare un composto specifico. I biosensori utilizzano diversi metodi, come l'elettrochimica, le proprietà meccaniche o l'ottica, per rilevare il legame della molecola specifica al recettore. Questo video introdurrà i biosensori e il campo del biorisensori discutendo alcune tecniche di base e tipi di biosensori, nonché le loro applicazioni.

Innanzitutto, discutiamo le basi di come funziona un tipico biosensore. Un biosensore è costituito da un sistema di riconoscimento biologico, spesso chiamato biorecettore o molecola della sonda. Questo di solito è una biomolecola immobilizzata, come un enzima, un anticorpo o un acido nucleico, che viene utilizzato per catturare selettivamente una molecola bersaglio. Il legame tra la sonda e le molecole bersaglio provoca un evento misurabile, come un cambiamento di pH, un cambiamento ottico o un evento redox. Questo cambiamento viene misurato dal trasduttore, che converte le informazioni di legame in un segnale quantificabile. Alcuni biosensori quantificano la quantità di bersaglio legato, fornendo all'utente una concentrazione. Tuttavia, alcuni sono usati semplicemente per confermare la presenza di una molecola, come in un test di gravidanza. Il primo biosensore fu il sensore di ossigeno sviluppato da Leland C. Clark. Il sensore utilizzava la glucosio ossidasi, che si riduce quando il glucosio si lega. In presenza di ossigeno, la glucosio ossidasi viene quindi ossidata, producendo perossido di idrogeno in una reazione collaterale. Quando il perossido di idrogeno viene ossidato, un elettrone viene perso e misurato dall'elettrodo. Più ossigeno è presente, più perossido di idrogeno viene prodotto e più elettroni misurati. Questa scoperta ha spianato la strada ai moderni biosensori. Ora che abbiamo introdotto i biosensori e un po 'della loro storia, diamo un'occhiata ad alcuni tipi comuni di biosensori.

I sensori ottici utilizzano la luce per rilevare il legame di una molecola bersaglio alla molecola della sonda. Un esempio molto semplice è un sensore basato sulla fluorescenza. Qui, la superficie del sensore è rivestita con un polimero, che ha una bassa fluorescenza basale. Quando la superficie del polimero è funzionalizzata con la molecola della sonda, in questo caso, DNA a singolo filamento, la fluorescenza aumenta. Quando la molecola bersaglio, il filamento di DNA complementare, si lega al filamento bersaglio, l'aumento della fluorescenza scompare, consentendo all'utente di determinare la quantità e la posizione di legame in base all'intensità della fluorescenza. Un altro tipo comune di biosensore è il sensore elettrochimico, che utilizza elettrodi per percepire le reazioni redox tra la sonda e le molecole bersaglio. Questo viene comunemente fatto usando un enzima legato alla superficie dell'elettrodo. Quando la molecola bersaglio si lega all'enzima sotto uno specifico potenziale applicato, si verifica la riduzione o l'ossidazione del complesso. Ciò crea un surplus o un deficit di elettroni, che è direttamente proporzionale alla quantità di molecola bersaglio legata.

Il campo del bioening non è privo di sfide. In primo luogo, una sfida chiave è la contaminazione della superficie del biosensore da parte di altre molecole nel campione, chiamate biofouling, che possono verificarsi in miscele complesse. Questa contaminazione può impedire alle molecole della sonda di rilevare la molecola bersaglio nel campione, riducendo così notevolmente la capacità di rilevamento del sensore. Di conseguenza, alcuni biosensori hanno una durata limitata e vengono rigenerati o smaltiti. In alternativa, possono essere sviluppati rivestimenti anti-biofouling per mitigare questo effetto. Il limite di rilevazione di un sensore si riferisce alla quantità più bassa di sostanza che può essere distinta in modo affidabile dall'assenza di tale sostanza. Un basso limite di rilevamento è vantaggioso per rilevare con certezza tracce di una sostanza, con il rilevamento di singole molecole come scenario ideale. Tuttavia, questo può essere difficile, poiché basse concentrazioni spesso si traducono in segnali deboli che sono al di sotto del rumore e sono difficili da quantificare. Gran parte della ricerca attuale mira a migliorare i limiti di rilevamento migliorando l'efficienza di legame e riducendo il rumore.

Ora che abbiamo discusso alcuni tipi comuni di biosensori insieme alle loro sfide, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni di questi concetti di base. Un sensore comunemente usato è la microbilanza a cristallo di quarzo o QCM. QCM è costituito da due elettrodi d'oro separati da un cristallo di quarzo, che ha proprietà piezoelettriche. Quando viene applicata una corrente alternata, vengono indotte oscillazioni con una frequenza di risonanza specifica. Questa frequenza di risonanza cambia quando le molecole si legano alla superficie. Questo cambiamento viene utilizzato per rilevare il legame delle molecole bersaglio e la quantità. I cantilever specializzati utilizzano proprietà meccaniche per rilevare il legame delle molecole bersaglio. Qui, i cantilever sono funzionalizzati con molecole di sonda e quindi esposti alla molecola bersaglio. Dopo il legame della molecola bersaglio, il cantilever devia a causa dei cambiamenti nello stress superficiale. Questa deflessione viene quindi misurata utilizzando un laser.

Hai appena visto la panoramica di JoVE sul biosensing. Ora dovresti avere familiarità con le basi dei biosensori, alcuni tipi chiave di sensori e le loro sfide, nonché alcune applicazioni sul campo. Grazie per l'attenzione.