Biosensory, zgodnie z przyjętą przez International Union of Pure Applied Chemistry definicją, to samowystarczalne, zintegrowane urządzenia, które dostarczają specyficznych ilościowych lub półilościowych informacji analitycznych, za pomocą składników umieszczonych w bezpośrednim kontakcie z elementem przetwarzającym. Pierwszym w historii biosensorem była eletroda tlenowa opracowana w drugiej połowie XX w. przez C. Clark Jr. Od tego czasu ilość pomysłów i ich zastosowań rosła w niesamowitym tempie – zgodnie z prognozą opracowaną przez Global Market Insights, Inc, przed 2024 r. rynek biosensorów ma być wart około 29,6 mld dolarów, podczas gdy jeszcze rok temu szacowano go na 14,8 mld dolarów. O rosnącym zainteresowaniu świadczy też liczba publikacji w tym temacie – na przestrzeni ostatnich 20 lat wzrosła niemalże 10-krotnie (zgodnie z danymi portalu pubmed.gov).
Budowa biosensora oraz mechanizm jego działania
Czujniki biologiczne składają się z trzech podstawowych elementów: detektora, przetwornika sygnału oraz elementu biologicznego (czujnika), którym najczęściej są: enzymy, przeciwciała, naturalne receptory, mikroorganizmy, DNA lub RNA. Właśnie ze względu na te poszczególne składowe, biosensory można podzielić na: elektrochemiczne, optyczne, akustyczne falowe, termincze oraz oparte na mikrowspornikach. Jeżeli zaś chodzi o monitorowanie stężenia substancji badanej, mogą to robić bezpośrednio w reakcji jej syntezy lub też pośrednio – przy udziale inhibitora lub aktywatora rozpoznawalnego elementu.
Działanie biosensorów jest oparte na specyficznym rozpoznawaniu materiału będącego w styczności z czujnikiem. Wykorzystany element biologiczny selektywnie reaguje z badaną substancją, dając – za pomocą przetwornika – możliwy do zmierzenia sygnał.
Zastosowanie biosensorów
Stosowanie biosensorów ma wiele zalet w stosunku do metod standardowych. Przede wszystkim tego typu badanie prowadzone jest w czasie rzeczywistym, dlatego łatwo je dopasować do stanu pacjenta czy też innej zastałej sytuacji. Ponadto jest to metoda szybka, tańsza, w pełni zautomatyzowana i pozwalająca na analizę kilku substancji jednocześnie. Z tego właśnie względu biosensory znalazły już szerokie zastosowanie, a w tym:
- Zastosowanie w medycynie – biosensory są obecnie szeroko wykorzystywane w diagnostyce medycznej, m.in. do monitorowania poziomu glukozy oraz wielu innych metabolitów, wykrywania markerów choroby nowotworowej oraz obecności wirusa HIV i zapalenia wątroby typu B we krwi pacjenta. W większości są to czujniki enzymatyczne, chociaż w przypadku np. diagnostyki nowotworów – bakteryjne lub immunologiczne. Popularne są również aptasensory (łac. aptus – dopasowany), które budzą wiele nadziei. W ich przypadku jako element czuły wykorzystuje się aptamery, czyli sztuczne oligonukleotydy. Dzięki nim metoda charakteryzuje się wyjątkową selektywnością oraz specyficznością i może być wykorzystywana w diagnostyce do wykrywania markerów wielu chorób.
- W ochronie środowiska – biosensory stosowane są m.in. do oceny jakości czystości wody, detekcji toksycznych gazów czy wykrywania jonów metali ciężkich oraz zawartości alkanów, surfaktantów i hormonów.
- W przemyśle spożywczym – biosensory stosowane są m.in. do wykrywania obecności komponentów alergicznych, detekcji patogenów (w tym bakterii) oraz wykrywania pestycydów.
- W przemyśle obronnym – biosensory wykorzystywane są w celu wykrywania zagrożeń spowodowanych bronią biologiczną lub detekcji środków bojowych. Największy rozwój biosensorów o takim zastosowaniu odnotowuje się w Stanach Zjednoczonych.
Polskie pomysły na wykorzystanie biosensorów
Świat idzie do przodu a polscy naukowcy nie pozostają w tyle. W marcu tego roku grupa badaczy z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej, kierowana przez prof. dr hab. Edytę Proniewicz, ogłosiła, że prowadzą zaawansowane prace nad biosensorem, który w przyszłości może umożliwić zdezaktywowanie bombezyny – polipeptydu, który stymuluje rozwój komórek raka prostaty, piersi i żołądka. W 2015 r. Anna Tokarzewicz, doktorantka Uniwersytetu w Białymstoku, zgłosiła do urzędu patentowego pomysł na system szybszego i dokładniejszego pomiaru ilościowego enzymu metaloproteinazy-1, uczestniczącego w rozwoju wielu rodzajów nowotworów. Z kolej w 2010 r. Dawid Nidzworski z Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii UG-GUMed otrzymał stypendium w ramach programu „Ventures” Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP) na stworzenie bioczujnika, który umożliwiłby szybką diagnozę chorych pacjentów, zgłaszających się do przychodni. Urządzenie w 5-10 min pozwoliłoby na wykazanie, czy choroba jest na tle wirusowym czy bakteryjnym. Taka trafna diagnoza pozwoliłaby na uniknięcie niepotrzebnego zażywania antybiotyków przez pacjentów.
Są również pomysły związane z ochroną środowiska. Na Uniwersytecie Śląskim powołano interdyscyplinarny zespół badawczy, odpowiedzialny za skonstruowanie Automatycznego Biodetektora Toksyczności Ogólnej Wody. Urządzenie to pozwala na ciągły monitoring jakości przepływającej przez nie wody. Czujnik śledzi aktywność metaboliczną bakterii nitryfikacyjnych, poprzez monitorowanie zawartości tlenu w wodzie przepływającej przez bioreaktory. Dzięki temu urządzeniu kontrolowanie jakości wody stanie się łatwiejsze i dokładniejsze, co ma bezpośrednie przełożenie nie tylko na ludzkie zdrowie, lecz również na ekonomię.
To tylko kilka z wielu przykładów badań prowadzonych w Polsce. Biosensory w dalszym ciągu stanowią ogromne pole badawcze, dlatego z pewnością będą pojawiać się coraz to nowe propozycje ich zastosowań.
Katarzyna Konarzewska
