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Biosuperficie electroconmutable

Una biosuperficie electroconmutable es un biosensor que se basa en un electrodo (a menudo de oro) al que se ha unido una capa de biomoléculas (a menudo moléculas de ADN ). Se aplica un potencial eléctrico alterno o fijo al electrodo que provoca cambios en la estructura y posición (movimiento) de las biomoléculas cargadas. El biosensor se utiliza en ciencia, por ejemplo en investigación biomédica y biofísica o en el descubrimiento de fármacos , para evaluar las interacciones entre biomoléculas y la cinética de unión, así como los cambios en el tamaño o la conformación de las biomoléculas.

Antecedentes tecnológicos

El principio general de una biosuperficie es una superficie sólida con una capa adicional de macromoléculas biológicas. Debido a que esta capa molecular responderá de manera reversible a los cambios en el entorno de la superficie, también se la denomina “monocapa sensible a estímulos”. Los estímulos externos pueden ser, por ejemplo, cambios de temperatura, cambios de campos magnéticos, fuerzas mecánicas o cambios de campos eléctricos. [1] Se pueden utilizar diferentes estrategias para unir una monocapa de biomoléculas a una superficie, por ejemplo, deposición de capas atómicas o deposición capa por capa . Otra opción es la fabricación de monocapas autoensambladas (SAM). [2] La superficie utilizada con mayor frecuencia con esta estrategia es un electrodo de oro. Los SAM se forman mediante organización espontánea de las moléculas, por ejemplo alcanotiolatos, sobre el sustrato. Los SAM se pueden utilizar como capas superficiales para nanopartículas, por ejemplo, en agentes de contraste para resonancias magnéticas, pueden proteger películas metálicas de la corrosión y tienen muchas otras aplicaciones en electroquímica y nanociencia. [3] Para su aplicación como biosensor, una de las moléculas autoensambladas sobre electrodos de oro más utilizadas es el ADN. Debido a su estructura molecular, las moléculas de ADN de doble cadena están cargadas negativamente y son rígidas. Al aplicar un potencial alterno a la biosuperficie, las cadenas de ADN adheridas se pueden mover sistemáticamente porque cambiarán entre una posición vertical y una posición plana. [4] [5] Esto permite el uso de la biosuperficie como biosensor.

Aplicaciones

La capacidad de controlar el potencial del electrodo para biosuperficies electroconmutables facilita varias aplicaciones diferentes. [6] Un ejemplo es el campo de la electrónica molecular , por ejemplo la investigación de la transferencia de carga mediada por el ADN. [7] [8]

Otra aplicación es el análisis de interacciones moleculares. Para ello, la cadena de ADN se marca con un tinte fluorescente . Los tintes fluorescentes excitados pueden transferir energía al metal. En consecuencia, la fluorescencia se apaga en las proximidades del electrodo metálico. [9] [10] Para medir las interacciones, se une adicionalmente un ligando a la cabeza de la molécula de ADN y el analito que interactúa se lanza a través del biosensor. Se pueden realizar dos modos de medición diferentes con el biosensor, un modo estático y un modo dinámico. En modo estático, el potencial aplicado al electrodo es fijo, manteniendo la molécula de ADN en posición vertical. La unión del analito al ligando cambiará el entorno local del tinte fluorescente y, por tanto, apagará su fluorescencia. El modo estático también se puede utilizar para medir la actividad de enzimas como las polimerasas que influyen en la estructura de la molécula de ADN. [11] En el modo dinámico, el potencial aplicado al electrodo oscila, por lo que la molécula de ADN cambia entre la posición vertical y la horizontal. La unión de un analito cambiará el tamaño del complejo adjunto. En consecuencia, la fricción hidrodinámica cambiará y la molécula de ADN se moverá a través del amortiguador con una velocidad diferente. Este cambio de velocidad se puede utilizar para investigar cambios de tamaño o cambios conformacionales inducidos por la unión del analito. La aplicación de biosuperficies electroconmutables como sensor de interacciones moleculares también se conoce como tecnología switchSENSE. [12] [13] [14] [15] [16] Pertenece a la categoría de métodos de microfluidos unidos a la superficie para medir interacciones moleculares.

La imagen muestra una representación esquemática del modo de medición estático, en el que el potencial del electrodo es negativo y la molécula de ADN está en posición vertical. Además, muestra el modo de medición dinámica con una molécula de ADN oscilante debido a un potencial alterno que se aplica al electrodo. En tercer lugar, muestra una molécula de ADN que es alargada por una enzima, por lo que aumenta la distancia entre el colorante y la superficie del electrodo.
Se pueden utilizar biosuperficies electroconmutables equipadas con cadenas de ADN para analizar la unión de un analito a un ligando, sus conformaciones o su actividad enzimática. V = voltaje aplicado al electrodo.

Una aplicación similar en esta categoría es la resonancia de plasmón superficial (SPR) , donde una fina película dorada encima de un portaobjetos de vidrio es la superficie del sensor. En SPR, la película de oro se puede modificar adicionalmente con SAM u otras capas específicas. Una diferencia con las biosuperficies electroconmutables es que no se aplica ningún potencial a la superficie SPR. [17] A diferencia de los métodos de superficie, también existen métodos en solución para medir las interacciones entre moléculas, por ejemplo la calorimetría de titulación isotérmica (ITC).

El potencial eléctrico no sólo se puede utilizar para controlar el movimiento de las cadenas de ADN, sino también para controlar la liberación de las moléculas en solución. Esto tiene posibles aplicaciones en el campo de la terapia génica , ya que podría permitir la entrega de material genético a ubicaciones específicas. [6]

Ver también

Referencias

  1. ^ Himabindu Nandivada, Aftin M. Ross, Joerg Lahann, Monocapas que responden a estímulos para biotecnología, Progress in Polymer Science, volumen 35, números 1 y 2, 2010, páginas 141-154, ISSN 0079-6700, https://doi. org/10.1016/j.progpolymsci.2009.11.001
  2. ^ Laromaine, A. y Mace, CR (2013). Monocapas autoensambladas como biosuperficies modelo. En Nanomateriales Orgánicos (eds T. Torres y G. Bottari). https://doi.org/10.1002/9781118354377.ch17
  3. ^ Con amor JC, Estroff LA, Kriebel JK, Nuzzo RG, Whitesides GM. Monocapas autoensambladas de tiolatos sobre metales como forma de nanotecnología. Chem Rev. 2005;105(4):1103-1169. doi:10.1021/cr0300789
  4. ^ Orientación de hélices de ADN en oro mediante campos eléctricos aplicados. Shana O. Kelley, Jacqueline K. Barton, Nicole M. Jackson, Lee D. McPherson, Aaron B. Potter, Eileen M. Spain, Michael J. Allen y Michael G. Hill. Langmuir 1998 14 (24), 6781-6784. DOI: 10.1021/la980874n
  5. ^ Conmutación eléctrica dinámica de capas de ADN sobre una superficie metálica. Ulrich Rant, Kenji Arinaga, Shozo Fujita, Naoki Yokoyama, Gerhard Abstreiter y Marc Tornow. Nano Letras 2004 4 (12), 2441-2445. DOI: 10.1021/nl0484494
  6. ^ ab Shoseyov, O. y Levy, Ilan. (2008). NanoBioTechnology: dispositivos y materiales bioinspirados del futuro. 10.1007/978-1-59745-218-2.
  7. ^ Kelley SO, Jackson NM, Hill MG, Barton JK. Transferencia de electrones de largo alcance a través de películas de ADN. Angew Chem Int Ed Engl. 1999;38(7):941-945. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(19990401)38:7<941::AID-ANIE941>3.0.CO;2-7
  8. ^ Muren NB, Olmon ED, Barton JK. Plataformas de solución, superficie y molécula única para el estudio del transporte de carga mediado por ADN. Phys Chem Chem Phys. 2012;14(40):13754-13771. doi:10.1039/c2cp41602f
  9. ^ Chance, RR, Prock, A. y Silbey, R. (1978). Fluorescencia molecular y transferencia de energía cerca de interfaces. En Avances en Física Química (eds I. Prigogine y SA Rice). https://doi.org/10.1002/9780470142561.ch1
  10. ^ Persona, Bo. (2001). Teoría de la amortiguación de moléculas excitadas ubicadas sobre una superficie metálica. Revista de Física C: Física del estado sólido. 11. 4251. 10.1088/0022-3719/20/11/020.
  11. ^ Bec G, Ennifar E. Tecnología switchSENSE para el análisis de la cinética de la ADN polimerasa. Métodos Mol Biol. 2021;2247:145-153. doi:10.1007/978-1-0716-1126-5_8
  12. ^ Despotricar U (2012). "Detección con biosuperficies electroconmutables". Revisiones bioanalíticas. 4 (2–4): 97–114. doi:10.1007/s12566-012-0030-0. S2CID 97122344.
  13. ^ Strasser, R., Scholl, D., Hampel, P. et al. Interacción molecular de mensajes con sensores dinámicos superiores. Biospektrum 18, 724–726 (2012). https://doi.org/10.1007/s12268-012-0252-2
  14. ^ Sendner, C., Kim, YW, Rant, U., Arinaga, K., Tornow, M. y Netz, RR (2006), Dinámica de moléculas de ADN con injertos finales y posibles aplicaciones de biosensores. fis. estadística. Sol. (a), 203: 3476-3491. https://doi.org/10.1002/pssa.200622444
  15. ^ Cléry A, Sohier TJM, Welte T, Langer A, Allain FHT. switchSENSE: una nueva tecnología para estudiar las interacciones proteína-ARN. Métodos. 2017;118-119:137-145. doi:10.1016/j.ymeth.2017.03.004
  16. ^ Velours, C., Aumont-Nicaise, M., Uebel, S. et al. Interacciones macromoleculares in vitro, comparando enfoques clásicos y novedosos. Eur Biophys J 50, 313–330 (2021). https://doi.org/10.1007/s00249-021-01517-5
  17. ^ Drozd M, Karoń S, Malinowska E. Avances recientes en la ingeniería de la capa de receptores para aplicaciones en inmunodiagnóstico basado en SPR. Sensores (Basilea). 2021;21(11):3781. Publicado el 29 de mayo de 2021. doi:10.3390/s21113781