Biosensorer H24 del 1 - Notater PDF

Plan for dagen Mentimeter- kort om elektroforese (gå sammen to og to) Intro biosensorer (biosensing) Spørsmålskortene Biosensorer Bioteknologibok kap 10.1-10.4 Kompendium, Stuen,I, kap 5 + eks hentet fra internett  BIOSENSIN...

Plan for dagen Mentimeter- kort om elektroforese (gå sammen to og to) Intro biosensorer (biosensing) Spørsmålskortene Biosensorer Bioteknologibok kap 10.1-10.4 Kompendium, Stuen,I, kap 5 + eks hentet fra internett  BIOSENSING Biosensorer del 1 (denne presentasjon) o Bakgrunn /Hva er en biosensor? o "Basic" biosensorer o Eksempler på applikasjoner Tema/mål Biosensorer del 2 (ny presentasjon) Spesialiserte biosensorer (nanosensor) Kort om andre biosensing metoder LUB: Studenten skal kunne beskrive grunnprinsippene for en biosensor og kunne gi eksempler på ulike typer biosensorer. Hva er en sensor? Hva er så en biosensor? Snakk med sideperson, kom frem til en definisjon Sensor basert på følsomheten til et biologisk materiale. Dvs en fellesbetegnelse på sensorer som kan bestemme en spesifikk for- bindelse ut fra en biokjemisk reaksjon Kanarifugl og biosensorer????? KANARIFUGL = LEVENDE BIOSENSOR Farlig nivå av CO og andre giftige gasser  Overvåke vannkvalitet i Vannkvalitetsindikator vannkraftverk Miljøovervåking Narkotika, dynamitt, sykdommer Andre eksempler på levende biosensorer Luftforurensing Magawa - minerydder Biosensorer i hverdagen? Noen som har smartklokke som måler oksygen i blodet, puls, søvn, temp? Biosensor En sensor som bruker et biologisk gjenkjennelse element i direkte kontakt med en transduser (IUPAC definisjon). o Men kan også bruke betegnelsen om sensorer som benyttes til analyser av biologisk interesse, selv om de ikke er knyttet til et biologisk system direkte. Omdanner en biologisk respons til et elektrisk signal.  Består av: Biosensor 1. Analytisk enhet som benyttes til analyse av kjemiske komponenter vha en fysiokjemisk detektor. Gir målbare resultater. 2. Følsomhetselementet er et biologisk utledet materiale eller en I hvilke andre biometrisk komponent som reagerer med, binder eller gjenkjenner sammenhenger har vi analytten som skal måles. snakket om bruk av biologisk materiale? Biosensor- opprinnelsen Dagens biosensorer er basert på Clark elektroden (1956) Leland C. Clark Jr 1918-2005 Oksygen sensor  Biosensor Første biosensor var en enzymsensor brukt til måling av glukoseinnhold i blod, enzymelektrode (Lyons & Clark, 1962). o Prinsipp: Clark elektrode + enzym. ✓ Oksidoreduktase plassert mellom to membraner, tilknyttet en platina elektrode. ✓ Elektroden plasseres i substratløsning (glukose) og gir utslag på peroksid produksjon som er proporsjonal med glukosekonsentrasjon, eller måler forbruk av oksygen som også er proporsjonal med glukosekonsentrasjon.  Biosensor Krav til Lyons & Clark biosensoren: Membran mellom elektrode og enzymlag må tillate passering av O2 (H2O2 ), men hindre biprodukter og andre forstyrrende elementer. Membran mellom enzym og analytt må tillate substrat/analytt å nå frem til enzymet. Glucose biosensor, generasjoner (amperiometrisk) Prinsipp biosensorer (Renneberg kap 10.1 og 10.2 og Biomaterials kap 4.2 (se Bb)) Prinsipp Biomaterialet kan bestå av enkle molekyler og molekylære biosensorer komplekser som proteiner (enzymer/antistoffer) og nukleinsyrer (RNA/DNA) eller hele celler, celleorganeller, vev og mikroorganismer Reseptor: Et immobilisert, biologisk system eller komponent som gjenkjenner målmolekylet blant mange andre. Hva betyr immobilisert? Husker dere noen metoder vi snakket om i vår? Prinsipp biosensorer: reseptor Krav til reseptoren: o Spesifikk. o Stabil under reaksjonsforholdene. o Bevare biologisk aktivitet i immobilisert tilstand. o Ingen uønskede prøvekontaminanter tilstede. Prinsipp biosensorer. Detektor/transduser Detektor/transduser kan være basert på ulike prinsipp: elektrokjemisk, optisk, kalorimetrisk etc o Eks på sensorer: pH-, O2-elektroder, H2O2- sensor, ioneselektive elektroder, termistor, fotodioder, nanopartikler m.m o Omdanner biogjenkjennelsen til et målbart elektrisk signal. Standard elektroniske komponenter (forsterker) brukes til å vise transdusersignalet på et display. Klassifisering av biosensorer Biosensorer videosnutter Biosensors detect CRISPR activity : https://www.youtube.com/watch?v=mYvFyksp hp8 What is a biosensor?: https://www.youtube.com/watch?v=oh0pdvmlr Vc I dag Oppsummering prinsipper biosensor- dere Inndeling av biosensorer og eksempler Diskusjonsoppgave «Summeoppgave» 1. Repeter kort hovedprinsippene som er gått gjennom så langt 2. Bruk av hele celler kontra bruk av enzymer som biologisk materiale? Hva tror dere er hovedforskjellene mellom de? Forslag til fordeler/ulemper med hver av de?  1. Cellebaserte biosensorer (hele celler, vev og mikroorganismer). Biosensorer: To "hovedgrupper" basert på det 2. Biosensorer basert på enkle biologiske molekyler og molekylære komplekser materialet (proteiner (enzymer/antistoffer) og RNA/DNA).  Biosensorer- hovedtyper Hva er 1. Cellebaserte biosensorer (hele celler, vev og mikroorganismer). gjenkjennelse mekanismen? Fordeler: o Billige, fordi celler er lettere å isolere enn individuelle cellekomponenter. o De tåler større variasjoner/forandringer av miljøfaktorer  økt levetid. Ulemper o Lengre responstid. o Mindre spesifikke. Hvorfor?  Biosensorer- hovedtyper 1. Cellebasert biosensor https://pdfs.semanticscholar.org/0e4b/5c7f601b57e2c854d78810b2f57678394162.pdf Biosensorer- hovedtyper 2. Biosensorer basert på enkle molekyler og molekylære komplekser (proteiner (enzymer/antistoffer) og RNA/DNA). Fordeler: o Mer spesifikke enn cellebaserte o Reagerer raskt pga kort diffusjonsvei (ingen cellevegg). Ulemper o Dyr i produksjon pga isolering av enzym eller andre komponenter. o F.eks er isolerte enzymer ofte ustabile. Hva er en ✓ Mange enzymer krever kofaktorer. kofaktor? Biosensorer- hovedtyper 2. Biosensorer basert på enkle molekyler og molekylære komplekser (proteiner (enzymer/antistoffer) og RNA/DNA).  Er bruk av biosensor en direkte eller Hovedprinsipper indirekte analyse? oppsummert Analytten oppdages av det biologiske materialet, immobilisert på transduseren. Den biologiske responsen transformeres til et elektrisk, optisk eller elektrokjemisk signal av transduseren og behandles deretter videre (gir informasjonen). Kilde: Research gate  Klassifisering avhengig av transduser: Biosensorer: eksempler på applikasjoner Det er mange varianter av biosensorer innenfor de to hovedgruppene av biologisk materiale, avhengig av type transducer/detektor som velges. Gir mange applikasjonsmuligheter  Eksempel 1:Måling av etanolkons i løsning Fordel? Biosensoren: o Elektrokjemisk - amperiometrisk o Transduser/elektrode: O2 –elektrode o Biologisk materiale: Acetobacter xylinum: Celle (mikrobiell) basert sensor ✓ Bruker etanol som C-kilde Fordel: Gjenkjennelse systemet (enz) er i sitt Prinsipp: Etanol kons. måles ved overvåking av naturlige miljø i cella. Dette respirasjonsaktiviteten. stabiliserer aktiviteten o Dvs forbruk av O2 tilsvarer etanolkons.  Eksempel 2: Analyse av glutaminsyre Biosensoren o Elektrokjemisk – potensiometrisk o Transduser/elektrode: CO2- elektrode. o Biologisk materiale: gul squash. Celle(vevs) basert sensor. Prinsipp: plantevev immobilisert vha BSA- glutaraldehyd kryssbinding. Vevet inneholder bl.a enzymet glutamat dekarboksylase som katalysere reaksjonen vist til venstre. Kryssbinding? o Mengden CO2 produsert er proporsjonal med glutaminsyre konsentrasjonen. Eksempel 3. Tidlig eksempel på medisinsk bruk av biosensorer Diabetes: hel eller delvis mangel på insulinproduksjon (viktig for metabolismen for mange karbonkilder). o Insulin: polypeptidhormon som produseres i bukspyttkjertelen. o Lite insulin  unormalt høyt glukoseinnhold i blodet. For lite insulinproduksjon  kontrollert tilførsel av insulin (vha f.eks sprøyter eller injeksjonspumpe). Eks 3 fortsetter Diabetes - Måling av insulinnivå Glukosesensoren o Elektrokjemisk- amperiometrisk o Biologisk materiale: Glukose oksidase (GOD) konverterer glukose til hydrogenperoksid, som igjen reagerer med platinaanoden i sensoren og generer et elektrisk signal som konverteres til en blodsukkerverdi som kan avleses. Bærbar biosensor: stikk i fingeren (bloddråpe) Eks 3 fortsetter Diabets - Måling av insulinnivå En form for halvautomatisk kunstig bukspyttkjertel. Kombinerer insulinpumpe med kontinuerlig glukose monitorrering (CGM) Automatisk frigjøring av insulin når blodsukkeret stiger/ stopper tilførsel når blodsukkeret synker. Første gang godkjent i 2016 av Food and Drug Administration i USA og 2017 i Europa  Den perfekte bukspyttkjertel (NTNU forskere, 2017) Making life with diabetes easier! Mange faktorer som skal stemme! Nytt i forskningen: tilsats av glukagon (mikromengder) i insulinet o Øker blodgjennomstrømning i underhud der insulin settes o Kroppen får ekstra drahjelp til å ta opp insulinet raskt o Lovende forsøk på gris i narkose  Nærmere en kunstig bukspyttkjertel Diabetikere skal bli ikke- diabetikere https://gemini.no/2024/01/ny-insulinmiks-kan-gi- diabetespasienter-et-lettere-liv/ https://www.tu.no/artikler/denne-sensoren-skal-gjore-diabetikere-friske/382275 https://www.apt-norway.com/ Eksempel 4 Graviditetstester (Immunobasert biosensor) Detektering av graviditetshormonet Humant Chorion gonadotropin (hCG) i urin. Teststav med antistoff (for hCG) dyppes i urin og urin absorberes. Ast i testen bindes til hCG (Ag-Ast kompleks. dannes!) Animasjon- Komplekset trekkes oppover staven. graviditetstest I testsonen (der streken kommer frem) er det anti-hCG antistoff (Ast 2) som bindes til Ag-Ast komplekset hvis det er dannet ⇒ blir strek! NB! Testsone/strek for å sjekke at testen virke https://www.youtube.com/watch?v=aOfWTscU8YM&list=PLJicmE8fK0EjGmPGeh_ WDu69qAsN-iHVA&t=3s  Eksempel 5. Biosensensor, Covid -19.Hurtigtester Tilsvarende prinsipp som graviditetstester Testlinje belagt med mus monoklonalt antistoff mot Sars-Cov-2 og kontroll linja er belagt med mus anti-kylling monoklonalt antistoff Mus monoklonalt anti-SARS-CoV-2 antistoff er konjugert med fargepartikler og brukes som detektorer for SARS-CoV-2 antigen. Under testing interagerer SARS-CoV-2-antigen med monoklonalt anti-SARS-CoV-2-antistoff, konjugert med fargepartikler. Dette komplekset trekkes oppover membranen via kapillærkrefter til testlinjen, hvor den fanges opp av det monoklonale anti-SARS-CoV-2-antistoffet. En farget testlinje vil være synlig i resultatvinduet hvis SARS-CoV-2-antigener er tilstede i prøven Eksempel 6. Bioemedisinsk biosensor: IscAlert Iskemi? En ny biosensor som kan redde liv. Revolusjonerer overvåkningen av nyopererte. CO2 - sensor designet for å detektere iskemi så tidlig som mulig. Settes inn i organer og varsler i løpet av sekunder om endringer i blodtilførselen, skaden kan reverseres og vevet reddes hvis det oppdages tidlig nok. Trond Herje er nå daglig leder i Sensocure https://sensocure.no/  Eksempel 7. Miljø- Vannforurensning- BOD (BOF) BOD- biochemical oxygen demand (biokjemisk oksygen forbruk). o Viktig parameter for måling av organisk forurensning i vann og spillvann o Elektrokjemisk - amperiometrisk. o Transduser: O2-elektrode o Biologisk materiale: Gjær (eks Trichosporin cutaneum, Arxua adininivorans). Prinsipp: Gjær immobilisert via en polymergel til elektroden. Måler forbruk av oksygen. o Rent vann inneholder ikke noe organisk mat til cellene. Cellene sulter- ikke noe oksygen opptak. o Forurenset vann inneholder ulike organiske komponenter (avh av prøve)- cellene vokser og forbruker oksygen. Mengde oksygen forbrukt er proporsjonal med mengde forurensning i prøven. Eksempel 8. Miljøanalyse- fiskeegg som miljøsensor Bruker fiskeegg (rognkjeks) til overvåking av miljøet i havet. Biologiske analyser for å se hvor stor skade miljøgiftene har gjort på embryoene. Larver av rognkjeks rett etter klekking. Den øverste er normal mens den nederste er deformert Utvikling av biosensorer! Smartklokker og andre bærbare sensorer Marked Kilde: Fierce electronics and Global Market insights  Diskusjonsoppgave/ Har dere forslag til en analyse/ et spesifikt problem hvor dere tror det kan være gunstig med en biosensor fremfor en mer standard analyse? o Diskuter hvorfor dere tror biosensorer kan være et godt alternativ. idemyldring