ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΖΥΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

---

 

 

Bιοαισθητήρες

Ο ενζυμικός βιοαισθητήρας (enzyme biosensor) είναι ένα ηλεκτρονικό μικροσύστημα προσδιορισμού ενώσεων περιβαλλοντικού, βιοχημικού, ιατρικού, βιομηχανικού κ.λπ. ενδιαφέροντος, η λειτουργία του οποίου βασίζεται σε ακινητοποιημένα ένζυμα. Τυπικά, αποτελείται από ένα βιολογικό τμήμα που ευρίσκεται σε επαφή με έναν χημικό μεταλλάκτη, και ένα ηλεκτρονικό τμήμα που περιλαμβάνει την ανιχνευτική διάταξη και την μονάδα επεξεργασίας. Στο βιολογικό τμήμα εντοπίζεται το ακινητοποιημένο ένζυμο και εκεί πραγματοποιείται η χημική αντίδραση. Συνέπεια της αντίδρασης είναι η μεταβολή κάποιας χημικής ή φυσικής παραμέτρου του συστήματος. Η μεταβολή αυτή μετατρέπεται από τον μεταλλάκτη σε μετρήσιμο σήμα, το οποίο καταλήγει μέσω του ανιχνευτή στην μονάδα επεξεργασίας. Οι βιοαισθητήρες χαρακτηρίζονται από αξιοπιστία και εκλεκτικότητα, προσφέρουν την δυνατότητα επανειλημμένης και μακροχρόνιας χρησιμοποιήσεώς τους, ακόμη και με πολύπλοκα μη προεπεξεργασμένα δείγματα, ενώ με την συνεχή εξέλιξη της μικροηλεκτρονικής διαμορφώνονται ως φορητές εύχρηστες συσκευές.


Οι ενζυμικοί βιοαισθητήρες, ανάλογα με την αρχή λειτουργίας τους, διακρίνονται σε οπτικούς, ηλεκτροχημικούς, πιεζοηλεκτρικούς, ακουστικούς και θερμικούς. Οι οπτικοί βιοαισθητήρες οι οποίοι βασίζονται στην τεχνολογία οπτικών ινών (
opticalfibres), αποτελούν κύριο ερευνητικό ενδιαφέρον για το Εργαστήριο Ενζυμικής Τεχνολογίας. Στην περίπτωση ενός οπτικού βιοαισθητήρα, ως αποτέλεσμα της ενζυμικής αντίδρασης μεταβάλλεται συγκεκριμένη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, συνήθως η ορατή περιοχή, οπότε από αυτή την μεταβολήείναι εφικτή η παρακολούθηση της ενζυμικής αντίδρασης χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές (οπτική απορρόφηση, φθορισμός, χημειο- και βιο-φωταύγεια). Η εν λόγω οπτική μεταβολή συσχετίζεται ποσοτικά με την παρουσία της μετρούμενης ένωσης στο δείγμα η οποία εννοείται ότι επηρεάζει την ενζυμική αντίδραση. Οι οπτικές ίνες αποτελούν κυματοδηγούς (waveguides) και μεταφέρουν το οπτικό σήμα σε μεγάλες αποστάσεις, όπως, σε αντιστοιχία, τα μεταλλικά καλώδια μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Συνεπώς οποιαδήποτε οπτική μεταβολή η οποία οφείλεται στην δράση του ενζύμου που βρίσκεται ακινητοποιημένο στο άκρο της οπτικής ίνας, είναι δυνατόν να μεταφερθεί στον ανιχνευτή του βιοαισθητήρα και το φαινόμενο να εκτιμηθεί ποσοτικά. Σε άλλη τεχνική εφαρμογή των οπτικών ινών, το ένζυμο ή άλλο κατάλληλο μόριο είναι δυνατόν να ακινητοποιηθεί όχι στο άκρο, αλλά στην εξωτερική επιφάνεια της ίνας και να ‘φωτίζεται’ από το λεγόμενο διαφεύγον κύμα (evanescent wave). Αυτό αποτελεί μια λεπτότατη στιβάδα φωτός που εξέρχεται από την ίνα και την περιβάλει. Συνεπώς, οι τυχόν οπτικές μεταβολές που πραγματοποιούνται μέσα στα όρια του διαφεύγοντος κύματος, επηρεάζουν την ένταση του κυρίως κύματος που διατρέχει εσωτερικά την ίνα, φαινόμενο το οποίο και εκτιμάται ποσοτικά.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                                                        (A)

 

 

 

 

 

 

 

 


                                                                        (B)

 

 

 

 

 

 

(Α) Σχηματική αναπαράσταση βιοαισθητήρα. (Β) Η οπτική ίνα με το πλαστικό περίβλημα και το βιοενεργό άκρο. (1) Αφαιρούμενο τμήμα περιβλήματος, (2) Στεγανοποιητικοί δακτύλιοι, (3) Βιοενεργό σάντουιτς, (4) Κυρίως σώμα περιβλήματος και (5) Τομή οπτικής ίνας, στην οποία φαίνονται τα επιμέρους στοιχεία φωτισμού (περιμετρικά)  και “ανάγνωσης” (κέντρο).

 

 

Το Εργαστήριο Ενζυμικής Τεχνολογίας δραστηριοποιείται στην περιοχή των οπτικών μικροσυστημάτων μέτρησης, ειδικότερα: Έχει κατασκευαστεί και δοκιμαστεί με επιτυχία ένας νέος φορητός ενζυμικός βιοαισθητήρας οπτικών ινών για την ανίχνευση και τον προσδιορισμό σε φυσικά ύδατα των οργανοφωσφορικών και καρβαμιδικών αγροχημικών dichlorvos και carbaryl, αντιστοίχως. Ο βιοαισθητήρας αυτός χρησιμοποιεί σύστημα που αποτελείται από ακινητοποιημένη χολινεστεράση και δείκτη ιώδες της βρωμοκρεσόλης. Επίσης, έχει αναπτυχθεί και δοκιμαστεί με επιτυχία μια νέα οπτική μέθοδος προσδιορισμού της λεκιθίνης (φωσφατιδυλοχολίνης) σε αίμα και εμπορικά δισκία. Η μέθοδος χρησιμοποιεί συν-ακινητοποιημένα δυο ένζυμα, φωσφολιπάση D και οξειδάση της χολίνης, μαζί με μια χρωστική-δείκτη.

 

Υπό ανάπτυξη και κατασκευή βρίσκεται ένας νέος φορητός ενζυμικός βιοαισθητήρας οπτικών ινών για τον προσδιορισμό των τριαζινικών αγροχημικών atrazine και alachlor. Ο βιοαισθητήρας αυτός βασίζεται σε γενετικά ανασυνδυασμένη και ακινητοποιημένη μορφή του ενζύμου S-μεταφοράση του γλουταθείου (GST). Το εν λόγω ένζυμο προέκυψε από εφαρμογή ενζυμικής μηχανικής.