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 la posición (movimiento) de las biomoléculas cargadas. El biosensor se utiliza en la ciencia, por ejemplo, en la 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.
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 denomina "monocapa sensible a estímulos". Los estímulos externos pueden ser, por ejemplo, cambios de temperatura, cambios en los campos magnéticos, fuerzas mecánicas o cambios en los campos eléctricos. [1] Se pueden utilizar diferentes estrategias para unir una monocapa de biomoléculas a una superficie, por ejemplo, la deposición de capas atómicas o la deposición capa por capa . Otra opción es la fabricación de monocapas autoensambladas (SAM). [2] La superficie que se utiliza con más frecuencia con esta estrategia es un electrodo de oro. Las SAM se forman por organización espontánea de las moléculas, por ejemplo, alcanotiolatos, sobre el sustrato. Las SAM se pueden utilizar como capas superficiales para nanopartículas, por ejemplo, en agentes de contraste de MRI, 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 que se autoensamblan sobre electrodos de oro más utilizadas es el ADN. Debido a su estructura molecular, las moléculas de ADN de doble cadena tienen carga negativa y son rígidas. Al aplicar un potencial alterno a la biosuperficie, las cadenas de ADN unidas 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.
La capacidad de controlar el potencial de electrodos 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 ADN. [7] [8]
Otra aplicación es el análisis de interacciones moleculares. Para ello, la cadena de ADN se marca con un colorante fluorescente . Los colorantes fluorescentes excitados pueden transferir energía al metal. En consecuencia, la fluorescencia se extingue en la proximidad 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 interactuante se hace pasar a través del biosensor. Se pueden realizar dos modos de medición diferentes con el biosensor, un modo estático y un modo dinámico. En el 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 colorante fluorescente y, por lo tanto, extinguirá 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 unido. En consecuencia, la fricción hidrodinámica cambiará y la molécula de ADN se moverá a través del tampón 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 para interacciones moleculares también se conoce como tecnología switchSENSE. [12] [13] [14] [15] [16] Pertenece a la categoría de métodos de unión a superficies microfluídicas para medir interacciones moleculares.
Una aplicación similar en esta categoría es la resonancia plasmónica de superficie (SPR) , donde una fina película de oro sobre un portaobjetos de vidrio es la superficie del sensor. En la SPR, la película de oro puede modificarse adicionalmente con SAM u otras capas específicas. Una diferencia con las biosuperficies electroconmutables es que no se aplica potencial a la superficie de la SPR. [17] A diferencia de los métodos ligados a la superficie, también existen métodos en solución para medir las interacciones moleculares, 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 la solución. Esto tiene posibles aplicaciones en el campo de la terapia génica , ya que podría permitir la administración de material genético a lugares específicos. [6]