Биосенсоры на основе клеток микроорганизмов. Примеры. Применение биосенсоров на основе клеток микроорганизмов в клинико- лабораторной диагностике.

Микробные сенсоры представляют собой иммобилизованные на преобразователях различных типов (оптических, электрохимических) клетками микроорганизмов, что позволяет достаточно простыми методами производить оценку концентрации многих органических соединений, осуществимую в ряде случаев лишь с помощью длительных химических процедур анализа. Наиболее часто используют преобразователи электрохимического типа.

Преимущества Микроорганизмы, как био компонент в биосенсорах, имеют ряд преимуществ перед индивидуальными ферментами. Способность окислять широкий спектр химических соединений, в том числе ксенобиотиков, адаптироваться к неблагоприятным условиям, в иммобилизованном состоянии сохранять окислительный потенциал в течении длительного времени.

Доступность и низкая стоимость микроорганизмов по сравнению с выделенными из них ферментами. Микроорганизмы являются катализаторами широкого спектра реакций, так как содержат множество ферментов, в том числе ферментные системы, катализирующие последовательные превращения субстратов, что также увеличивает возможности применения биосенсоров для детекции соединений различного строения.

Клетки микроорганизмов культивируются, легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов клетки не требуют дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. Таким образом, биосенсоры на основе целых клеток микроорганизмов могут быть использованы не только для определения содержания индивидуальных соединений в анализируемых объектах, но и для определения таких комплексных показателей загрязнения водных сред как биологическое потребление кислорода (БПК), цитотоксичность, мутагенность и т.д.

Так, известно большое количество лабораторных моделей и несколько промышленно выпускаемых биосенсорных анализаторов БПК. В Германии, Бельгии, Японии и ряде других стран этот важный показатель качества воды определяют только экспресс-методом с использованием биосенсоров. Такие анализаторы позволяют производить определение БПК в среднем диапазоне мг/л за время порядка нескольких минут.

Недостатки Клетки содержат множество ферментов, часть которых может взаимодействовать с соединениями, присутствующими в пробе и не относящимися к целевым. В этом случае возникает сигнал наличия целевого соединения и соответствующая ошибка анализа. Реакции протекают более медленно, так как субстраты должны проникнуть в клетку через мембрану, кроме того по такому же пути продукт должен выйти из клетки. Поэтому некоторые субстраты, в особенности макромолекулярные, не могут быть использованы для детекции клеточными биосенсорами.

Различные метаболические пути утилизации субстрата в клетке могут быть источником побочных продуктов, регистрируемых преобразователем - это приводит к снижению селективности клеточного биосенсора. Высокая приспособляемость и изменчивость микроорганизмов. Проблема биологической устойчивости, связанная с необходимостью длительного хранения и поддержания жизнедеятельности 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.

Принцип детекции, реализованный в биосенсорах, основан на том, что биоматериал, иммобилизованный на физическом датчике (преобразователе), при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал, который регистрируется преобразователем электрохимического, оптического или иного типа. Эти изменения могут непосредственно быть зарегистрированы электрохимическими датчиками, например, кислородным электродом или рН - метром.

Областями наиболее интенсивного применения микробных сенсоров являются ферментационный и экологический контроль. Примеры использования микроорганизмов для создания биосенсоров: Neigrospora europea - для определения аммиака, Trichosporon brassicae - для определения уксусной кислоты, Sarcina flava - для определения глутамина, Azotobacter vinelaudit - для определения нитратов и другие.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов обычно применяют в комбинации с амперометрическийми или потенциометрическийми (газовыми) электродами для регистрации отдельных веществ и комплексных физиолого-биохимических параметров, которые трудно или вовсе невозможно оценить с помощью изолированных ферментов: потребление кислорода (показатель органического загрязнения природных или сточных вод), измеряемое амперометрический по поглощению О2 или потенциометрический по образованию СО2 клетками гриба Trichosporon cutaneum или бактерий Azotobacter vinelandii, E- coli и др.;

токсичность водного раствора или воздуха, измеряемая сенсорами на базе иммобилизованных цианобактерий, у которых активность фотосистемы II снижается при наличии в среде токсических компонентов, особенно гербицидов; мутагенное действие тестируемого агента, определяемое стандартными методами обнаружения мутантных клеток, например, растущих и соответственно выделяющих СО2 лишь на обогащенной среде.

В экологии биосенсоры используются для мониторинга параметров окружающей среды. Например, биосенсор для определения химического состава сточных вод. Датчик позволяет определять концентрации органических веществ в воде и детектировать наличие в среде гербицидов и мутагенов. Для определения концентраций фосфорорганических пестицидов на основе электрода Кларка разработаны биосенсоры, в которых чувствительным биологическим элементом является иммобилизованная в целлюлозную мембрану холиноксидаза либо бутирилхолиноксидаза. Разработаны амперометрическийе микробные биосенсоры, в которых уровень загрязнения окружающей среды определяется по влиянию вредных веществ на дыхание микробной компоненты.

В медицине биосенсоры применяются при биохимическом скрининге жидких сред организма во время массовых обследований, для непрерывного мониторинга физиологических параметров больных, как первичные датчики при разработке систем биохимического протезирования. Спектрофотометрические и хроматографические методы, которые традиционно используются в клинике для определения органических веществ, малопригодны для измерений в режиме on-line. Этим обусловлены интенсивные исследования и разработки биосенсоров на физиологически значимые соединения, ответ которых составлял бы минуты, а при использовании кинетических методов секунды. Такие датчики можно будет применять для непрерывного контроля биохимических показателей жидких сред организма.

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.

В лаборатории генной инженерии НИИ физико-химической медицины Росздрава российские учёные удалось сконструировали биосенсор с бактерией Helicobacter pylori, по которой на ранней стадии по изменению среды желудка выявляют раковую опухоль. Биосенсор для диагностики рака

Список использованной литературы: 1. Будников Г.К., Евтюгин Г.А., Майстренко В.Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии, медицине. Москва: – 331 с. 2. Ильясов П. В. Использование микробных биосенсоров для анализа углеводов, ксенобиотиков и параметров состояния окружающей среды : диссертация. Пущино, – 26 с. 3. Понаморева О. Н. Биосенсоры и биотопливные элементы на основе целых клеток микроорганизмов и выделенных из них ферментов. Обзор // Известия ТулГУ. Естественные науки С Решетилов А.Н. Электрохимические биосенсоры на основе микробных клеток, ферментов и антител : диссертация. Москва, – 450 с. 5. Биосенсорные устройства: Курс лекций / А.П. Кудряшов –Мн:БГУ,2003. – 113 с.