Биосенсоры и биоэлектроника реферат

Обновлено: 19.05.2024

В последнее десятилетие появились новые контакты между весьма далекими областями: биохимией и электроникой. Их взаимное проникновение позволило создать новую сферу интересов науки – биоэлектронику. Для начала в данной области появились новые устройства для анализа, а также переработки информации, которые получили название биосенсоры. Они рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств.

Эти миниатюрные электронные устройства, оснащенные биологическими элементами, превращаются в двигатели технологической революции. В скором времени в нашу жизнь должны войти особые биосенсоры, способные контролировать и информировать о процессах, отследить которые человек напрямую не способен.

Что такое биосенсоры

Кларк предлагал использовать ферментный электрод, то есть электрохимический датчик с ферментом, иммобилизованным на его поверхности. За последние десятилетия данная идея получила серьезное развитие. Изобретено и исследовано много систем, часть из них прошла апробирование и промышленную реализацию. Большая часть из них ориентирована на проведение анализа биологических жидкостей. К примеру, кровь состоит из тысячи разных соединений. Для определения концентрации глюкозы или иного соединения данное устройство подходит лучшим образом. Для людей, которые страдают диабетом, это является жизненно важным клиническим анализом.

В чувствительном слое устройства имеется биологический материал: ДНК, рецепторы, органеллы, липосомы, антитела, антигены, дрожжи, бактерии, ткани и ферменты. Они непосредственно реагируют на присутствие определяемого компонента, обеспечивая генерирование сигнала в зависимости от его концентрации.

Разновидности

Существует огромное количество принципов классификации биосенсоров, которые завися от:

Природы биохимического компонента.
Аналитических задач.
Преобразователя сигнала.
Областей потенциального применения.
Особенностей генерируемого сигнала.

Наиболее часто выделяют следующую классификацию:

По биохимическому компоненту;
— сенсоры на основе клеточных тканей и микроорганизмов;
— ДНК-сенсоры;
— иммуносенсоры;
— ферментные сенсоры;
— сенсоры на базе надмолекулярных клеточных структур;
По способу измерения сигнала;
— физические;
— оптические;
— электрохимические;
— гибридные;
По сигналу;
— стационарные (равновесные);
— динамические (кинетические);
По области применения;
— пищевая промышленность;
— биотехнология;
— медицина;
— экология.

Классификация по биохимическому компоненту:

Ферментные сенсоры предполагают биологические препараты (гомогенны микробных культур или тканей) или чистые препараты фермента, которые проявляют определенную биологическую активность.
Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора применяют иммуноглобулины – это защитные белки, которые выделяются иммунной системой организма в ответ на воздействие чужеродных биологических соединений (антигенов).
ДНК-сенсоры включают нуклеиновые кислоты (ДНК) в качестве биохимического компонента.
Микробные сенсоры задействуют микроорганизмы, которые способны проводить при помощи ферментов превращение определенного вещества. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что во время превращения субстрата может использоваться совокупность ферментов, а не только один.
Биосенсоры на базе надмолекулярных структур клетки находятся в промежуточном положении между ДНК-сенсорами, ферментными и микробными сенсорами, так как в их основе используются внутриклеточные структуры, которые имеют весьма сложное иерархическое строение.

Классификация по способу измерения:

Электрохимические биологические сенсоры действуют по принципу измерения электрического тока, который возникает вследствие восстановления или окисления электрохимически активных веществ на рабочем электроде, либо на измерении разности потенциалов электродом сравнения и рабочим электродом при постоянном токе.
Пьезоэлектрические устройства чувствительны к изменению массы, плотности на поверхности физического носителя, а также частоты колебаний акустических волн и вязкости среды.
Оптические сенсоры реагируют на физическо-оптические параметры, а не на химическое взаимодействие компонента с чувствительным элементом. Это может быть интенсивность поглощения, люминесценция объекта, отражение света и так далее.

Устройство

Любые биосенсоры конструктивно представляют комбинированное устройство, которое состоит из двух принципиальных функциональных элементов: физического и биохимического, они находятся в тесном контакте.

Биохимический элемент представлена биоселектирующой структурой, которая выступает в роли биологического элемента распознавания. В качестве его могут использоваться все типы биологических структур: нуклеиновые кислоты, рецепторы, антитела, ферменты и даже живые клетки.
Физический преобразователь сигнала преобразует определяемый компонент, то есть концентрационный сигнал в электрический.
С целью считывания и записи информации применяются электронные системы усиления, а также регистрации сигнала.

Биосенсоры выполнены из трех частей:

Биоселективный элемент — биологический материал (к примеру, нуклеиновые кислоты, антитела, ферменты, клеточные рецепторы, органеллы, микроорганизмы, ткани и так далее), биомимик или материал биологического происхождения. Чувствительный элемент также может создаваться биоинженерией.
Элемент преобразователя действует на физико-химических принципах (электрохимический, пьезоэлектрический или оптический), он преобразует сигнал, который появляется в результате взаимодействия в иной сигнал, который легче измерить.
Связанная электроника помогает отображать результаты в виде, который удобен для пользователя.

Принцип действия

Принцип работы устройства достаточно прост:

Это своего рода детекторы, действие которых базируется на специфичности молекул и клеток. Они применяется для измерения и идентификации количества малейших концентраций самых разных веществ. При связывании биологического компонента с искомым веществом преобразователь генерирует оптический или электрический сигнал, мощность которого находится в пропорциональной зависимости от концентрации вещества.

Так в ферментных устройствах определяемое вещество через полупроницаемую мембрану диффундирует в тонкий слой биокатализатора, где и осуществляется ферментативная реакция. Так как продукт ферментативной реакции в этом случае определяется при помощи электрода, на поверхности которого имеется фермент, то подобное устройство часто называют ферментным электродом.

В микробных сенсорах, состоящих из иммобилизованных микроорганизмов, а также электрохимического датчика, принцип работы заключается в ассимиляции органических соединений микроорганизмами. Это действие регистрируется электрохимическими датчиками.

Особенности

Многие ферменты быстро теряют свою активность и являются дорогими, поэтому их не всегда целесообразно применять. Поэтому чаще всего для создания биологических сенсорных устройств применяются биологические ткани разного происхождения, микроорганизмы и бактерии. Однако у них имеется ощутимый недостаток — низкая селективность определения, так как клетки живых организмов по факту являются источником разнообразных ферментов.
Расширение сферы применения биологических сенсорных устройств вызвано только высокой чувствительностью данных систем, но также наличием полного набора реагентов, требуемых для определения концентрации конкретного вещества.

Применение

Применение в пищевой промышленности. В большинстве случаев сенсоры применяются для определения этилового спирта, сахаров и крахмала. Для измерения безопасности, свежести и пищевой ценности продуктов питания.
Применение в медицине. Биологические сенсоры на текущий момент находят широчайшее применение именно в медицине. Ферменты все чаще используются для автоматизированного, но рутинного анализа содержания гормонов, лекарств и метаболитов в биологических жидкостях человека. Такие устройства в особенности важны для клинической диагностики в больницах.

Благодаря их применению уменьшается риск ошибок при постановке диагноза, в том числе снижаются затраты, так как подобные сенсоры доступны и широко распространены. Диагностика при помощи биологических сенсоров позволяет врачам-терапевтам выполнять анализы прямо в их кабинетах без использования услуг лабораторий.

Обнаружения и выяснения степени загрязнения окружающей среды.
Определения количества токсинов, взрывчатых веществ и биологического оружия.

Принципы конструирования биосенсоров. Метод безреагентных электродов и ферментной микрокалориметрии. Примеры промышленного применения биосенсоров. Перспективы применения биосенсоров в медицине. Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	12.01.2012
Размер файла	393,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

Вступление

1. Принцип работы биосенсоров

2 Принципы конструирования биосенсоров

2.1 Метод безреагентных электродов

2.2 Метод ферментной микрокалориметрии

2.3 Метод хемилюминесценции

2.4 Клеточные биосенсоры

3. Примеры промышленного применения биосенсоров

3.1 Применение биосенсоров в пищевой промышленности

3.2 Использование биосенсоров в медицине

3.2.1 Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

3.2.2 Перспективы применения биосенсоров в медицине

Список использованной литературы

В последнее десятилетие возникли новые контакты на первый взгляд между очень далекими областями: электроникой и биохимией. Их взаимное проникновение друг в друга создало новую сферу интересов науки - биоэлектронику. Первым шагом в этой области было возникновение новых устройств для анализа и переработки информации, получивших название биосенсоров. Биосенсоры рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств.

Принцип работы биосенсоров

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных веществ. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно определить концентрацию нужного соединения (например, глюкозы). Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность.

Рис.1 Общая схема работы биосенсоров

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живого организма -- рецепторами, способными преобразовывать разные типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические. Наибольшее распространение сейчас получили биосенсоры на основе ферментов. Среди таких устройств различают субстратные и ингибиторные биосенсоры. С их помощью решают различные медико-биологические задачи и контролируют состояние среды обитания. Чувствительность ингибиторных биосенсоров чрезвычайно высока, например, возможно определение остаточных количеств некоторых пестицидов на уровне 0.01 мкг/л и выше, что несравненно точнее обычных физико-химических методов.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чувствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

2. Принципы конструирования биосенсоров

Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Разработка биосенсоров относится к наукоемким технологиям и представляет одну из ветвей современной биотехнологии. В настоящее время существует несколько типов биосенсоров. Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры. Например, ферментные электроды, ферментные микрокалориметрические датчики, биодатчики на основе хеми-- и биолюминесценции.

2.1 Метод безреагентных электродов

Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким долнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т.д. (отсюда и название безреагентные методы анализа).

Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Рис. 2 Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы

Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.

2.2 Метод ферментной микрокалориметрии

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

Рис.3 Схема работы ферментного датчика

2.3 Метод хемилюминесценции

Хемолюминесцентные датчики -- регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью -- позволяет определять фемтомольные (10-12 моль/литр) количества вещества. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

Рис. 4 Схема работы хемилюминесцентного датчика

2.4 Клеточные биосенсоры

Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:

1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.

2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.

3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами

Рис. 5 Схема работы клеточного биосенсора

биосенсор микрокалориметр электрод

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.

Например: для создания биосенсоров используют микроорганизмы Neyrospora europea для определения аммиака - Trichosporon brassicae - для определения уксусной кислоты, Sarcina flava -- для определения глутамина, Azoiobacier vineiaudii -- для определения нитратов и другие.

Для иммобилизации клеток с сохранением их активности первоначально использовали материалы природного происхождения: желатину, агар, альгинат кальция, каррагенан. В последние годы разработаны и развиты методы включения живых клеток в синтетические полимерные гели. Особенно интересные и перспективные результаты получены с использованием так называемого метода криоиммобилизации клеток. Процедура крио-иммобилизации состоит из стадии получения суспензии клеток: в растворе полимера, замораживания суспензии с получением криоструктурированных гелей, размораживания с образованием пористого, механически прочного материала, устойчивого до температур 70-80°С. Клетки, включенные в такого рода пористый материал, сохраняют активность и способны функционировать в течение нескольких месяцев.

3. Примеры промышленного применения биосенсоров

3.1 Применение биосенсоров в пищевой промышленности

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта, поэтому именно они будут рассмотрены в данной главе. Ферментные сенсоры для оценки содержания этанола могут быть основаны на алкогольдегидрогеназе либо на алкогольоксидазе, иммобилизованных на соответствующем преобразователе. Амперометрический биосенсор для определения этанола в парах на основе алкогольдегидрогеназы и никотинамидадениндинуклеотида (NAD + ) в качестве ко-фактора. Этанольный биосенсор на основе алкогольоксидазы и кислородного электрода Кларка. Диапазон измерений охватывал область концентраций от 0.05 до 10 (мили моль / литр). Определение крахмала может осуществляться как с помощью ферментных сенсоров, так и сенсорами на основе клеток микроорганизмов. Как правило, схема анализа в этом случае включает гидролиз крахмала амилолитическими ферментами ( a-амилаза, глюкоамилаза) до глюкозы и последующую детекцию глюкозы амперометрическим сенсором на основе глюкозооксидазы или микробных клеток. Более того, для решения такой задачи, как оценка общего содержания утилизируемых сахаров в сбраживаемом сусле, использование биосенсора на основе микробных клеток может оказаться более предпочтительным, поскольку широкая субстратная специфичность микроорганизмов может позволить выполнить интегральную оценку суммарного присутствия сахаров.

3.2 Использование биосенсоров в медицине

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей. Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

3.2.1 Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

Примером биосенсора, который широко используется, является прибор для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом. Пример такого детектора приведен на рис.6.

Рис.6 Общий вид детектора глюкозы в крови

Принцип действия таких приборов достаточно прост: образец исследуемой жидкости помещается на тестовую полоску и вводится в анализатор. Биосенсор содержит фермент глюкозооксидазу в иммобилизованной форме. Фермент окисляет глюкозу в крови; при этом высвобождаются электроны, образующие электрический ток, который пропорционален количеству глюкозы, присутствующей в крови. Биосенсор очень чувствителен; он позволяет измерять концентрацию глюкозы в одной капле крови и выдает результат через 20 с.

3.2.2 Перспективы применения биосенсоров в медицине

3.3 Применение биосенсоров в других областях

Предполагается, что в будущем биосенсоры будут широко применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%.

Кратко затрагивая экономическую сторону биосенсорной технологии отметим, что в настоящее время три конкурирующие фирмы - Эббот (Англия), Байер (Германия) и Бёрингер (Германия) являются доминирующими в производстве биосенсоров и в общей сложности выпускают около 2/3 всей биосенсорной продукции в мире. В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

Список использованной литературы:

1.Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, № 5, С. 2-3.

2. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

3. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.

4. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. М.: Мир, 1992.

5. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors // Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

Подобные документы

Особенности применения дросселей переменного тока для конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Назначение дросселей. Параметры и примеры типовых конструкций. Эквивалентная схема дросселя высокой частоты. Магнитопроводы дросселей. Нагрев и охлаждение.

реферат [331,8 K], добавлен 14.01.2017

Проектирование современных электронных средств и характеристика существующих методов их конструирования. Государственные стандарты оформления конструкторской документации, их учет и хранение в бюро технической документации. Виды носителей информации.

контрольная работа [60,0 K], добавлен 15.09.2010

Порядок и этапы конструирования антенн СВЧ. Особенности применения ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн, методика подбора соответствующих параметров. Выбор и расчет схемы питания, фазовращателей. Определение кодов управления фазой.

курсовая работа [66,2 K], добавлен 24.04.2009

Наименование, назначение и область применения изделия, предъявляемые к нему требования по технологичности и экологической безопасности. Принцип работы блока. Выбор метода конструирования и конструкционных материалов. Расчет массогабаритных характеристик.

курсовая работа [185,5 K], добавлен 09.08.2015

Физика нанопроводов, их классификация и способы получения. Примеры получения нонопроводов из конкретных материалов. Нанопровода из оксида марганца в качестве электродов аккумуляторной батареи. Особенности применения нанопроводов из оксида титана.

реферат [2,9 M], добавлен 19.01.2015

Анализ схемы электрической особенности высококачественного усилителя мощности звуковой частоты, его конструктивные элементы и функциональное назначение. Выбор элементарной базы, конструкции, покрытия, а также основные принципы компоновки печатной платы.

курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.09.2014

Создание эстетических свойств для обеспечения удовлетворения эстетических требований людей. Формообразование промышленных изделий по специфическим законам проектирования промышленного изделия. Создание и подбор оптимального цветового решения изделия.

Обзор

Органический полимерный дисплей, вживленный в лист живой розы. Для удобства визуализации электрических полей, созданных в листе, цвета изменены при обработке изображения. Черные области соответствуют обычной зеленой окраске листа, зеленые — синей окраске, появляющейся с приложением к листу внешнего электрического напряжения.

Автор

Редакторы

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Спонсор публикации этой статьи — Андрей Александрович Киселёв.

Рисунок 1. Схематическое представление органических (справа) и неорганических (слева) полупроводников в контакте с электролитом. Размеры заряженных ионов значительно больше расстояний между атомами в неорганических полупроводниках и потому ионная проводимость в этих материалах невозможна. Одновременно с этим характерные размеры пустот между цепочками макромолекул сопряженных полимеров сопоставимы с размерами гидратированных ионов и потому ионная проводимость в этом классе соединений возможна.

Теперь преимущества электропроводящих полимеров — гибкость, простоту и вариативность синтеза, а также биосовместимость и ионную проводимость — пробует использовать органическая биоэлектроника — совсем молодая область материаловедения, которой уже есть, чем похвалиться [2].

Диагностика изнутри

Обычные полупроводниковые транзисторы — это основные компоненты всех электрических логических схем, своеобразные электронные кнопки с тремя контактами. Сравнительно большим током, протекающим в них от одного контакта к другому, можно управлять с помощью небольшого сигнала (значительно меньшего тока или напряжения в случае полевого транзистора), который подается на третий контакт. Собирая много транзисторов в одной схеме, можно усиливать, ослаблять и преобразовывать любые электрические сигналы или, говоря другими словами, обрабатывать информацию.

Рисунок 2. In vivo регистрация электрической активности мозга с помощью органических транзисторов. Розовым цветом дана зависимость, снятая с помощью органического электрохимического транзистора, синим — пластикового электрода, черным — металлического электрода. Обращаем внимание, что последние два электрода регистрируют электрический сигнал по скачкам потенциала, а транзистор — по скачкам тока в электропроводящем канале.

В своем эксперименте французы показали, что органические транзисторы позволяют фиксировать электрическую активность мозга заметно точнее их современных неорганических аналогов. В экспериментах других научных групп органические транзисторы успешно используют для снятия ЭКГ [4] или, например, определения концентрации молочной кислоты [5], глюкозы [6] и других биомолекул.

Пластиковые нейроны

Сегодня неврологические и психиатрические заболевания лечат, в основном, с помощью лекарств, но подобрать их дозировку, точечно доставить препарат в определенные клетки и одновременно учесть его побочное действие на самые разные процессы в организме бывает очень сложно. Большой коллектив шведских ученых из нескольких институтов предложил решать эти проблемы с помощью все тех же электропроводящих полимеров, а точнее, с помощью еще одного устройства органической биоэлектроники — органического электронного ионного насоса, способного перекачивать ионы из одной среды в другую [7].

В своей работе исследователи изучали лабораторных крыс, у которых они сначала вызывали нейропатическую боль (ее причина — не внешний раздражитель, а нарушенная работа самих нейронов), а потом лечили ее с помощью точечного введения нейромедиатора ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который снижает раздражение центральной нервной системы [8]. Миниатюрный органический насос (около 12 см в длину и диаметром 6 мм) вводили в спинной мозг крыс, а его резервуар был наполнен ГАМК (рис. 3). С подачей внешнего электрического напряжения молекулы ГАМК начинали выходить по четырем ионпроводящим полимерным каналам в межклеточное пространство (видео 1).

Рисунок 3. Имплантируемый органический электрохимический насос. A — фотография устройства, B — схематическое представление устройства, слева — электрический контакт, по центру — резервуар с ГАМК, справа — выводящие каналы. Общая длина устройства составляет 120 мм, диаметр резервуара — 6 мм. С — четыре выхода органического электрохимического расположены в тех точках, где ветви седалищного нерва входят в спинной мозг.

Видео 1. Органоэлектронный ионный насос

В результате у крыс пропадала боль (это проверяли с помощью тактильного теста: к лапам крыс подводили эластичные нити различной жесткости и следили, начиная с какого давления животное отдернет лапу), и не наблюдалось никаких побочных эффектов. С использованием всех остальных методов лечения нейропатической боли при помощи ГАМК препарат вводится в спинной мозг в большой дозе, которая распределяется по нервной системе и помимо подавления боли приводит к нарушениям ходьбы, заторможенности и другим побочным действиям.

Работа искусственного нейрона очень похожа на то, как функционируют настоящие: нервный импульс возбуждается в одном из них и бежит через всю клетку к месту контакта с другим нейроном, там выделяется глутаминовая кислота, которая как бы нажимает кнопку и возбуждает следующий нейрон (рис. 4). Так, по цепочке нейронов, импульс добегает до мышечной клетки, которая уже возбуждается не глутаминовой кислотой, а ацетилхолином. Созданный шведами пластиковый нейрон вполне может повторять эти действия и передавать сигналы другим клеткам. В эксперименте это были клетки нейробластомы SH-SY5Y, активацию которых отслеживали по характерным увеличениям концентрации ионов при связывании ацетилхолиновых рецепторов.

Рисунок 4. Схема преобразования химического сигнала в электрический и обратно в искусственном полимерном нейроне идентична схеме работы живого нейрона. Биосенсор (представлен зеленым) реагирует на повышение концентрации одного нейромедиатора (оранжевые точки), что генерирует поток электронов, возбуждающий органический электрохимический насос (представлен синим), выделяющий другой нейромедиатор (синие точки).

От электронных роз до самой зеленой энергии

Исследования на мышах, крысах и других лабораторных зверях нужно согласовывать с комиссиями по этике, а потому самые смелые эксперименты в органической биоэлектронике легче ставить на растениях. Так, в конце 2015 года все та же шведская группа сделала первую розу-киборга [12]. Правда, ничего зрелищного она пока не умеет — ни раскрываться по нажатию кнопки на пульте управления, ни менять свой цвет в зависимости от влажности среды, ни захватывать мир, но кое-что интересное у исследователей все-таки получилось.

В первом эксперименте срезанную розу ставили в воду с растворенным электропроводящим полимером, который поднимался по черенку и формировал в розе проводящий канал. Дальше ученые подводили к концам канала электрические контакты и вводили в черенок управляющий электрод — золотую проволоку, покрытую проводящим полимером. Так внутри розы собирался своеобразный органический транзистор. При этом к одному каналу можно было подвести сразу несколько управляющих электродов и сделать простейшую логическую схему, по которой ток течет только при подаче определенных управляющих напряжений на обе золотые проволоки.

Во втором опыте в листья розы при помощи шприца накачивали водный раствор уже другого электропроводящего полимера, который умеет менять цвет при подаче внешнего напряжения. К листу подводили электроды, включали ток и — вуаля: прожилки листочка обретали синевато-зеленый оттенок. Это закачанный в них полимер превращался из бесцветного в голубой (видео 2). При этом, когда напряжение снимали, лист снова становился здорового зеленого цвета.

Так ученые показали, что с помощью несложной техники внутри растений можно создать простые электронные схемы. В перспективе это позволит управлять их физиологией и, например, добиваться повышения урожайности без генных модификаций или даже делать крошечные электростанции на энергии фотосинтеза. Конечно, пока это звучит слишком дорого, но зато когда-нибудь технологии органической биоэлектроники позволят точечно контролировать каждое растение, а не сразу всю популяцию.

Биоэлектронное будущее

Первые эксперименты показали, что устройства органической биоэлектроники вполне могут принимать, передавать и обрабатывать биоэлектрические сигналы. Что дальше? Сейчас полимерные материалы научились делать биосовместимыми и биодеградируемыми, а потому чипами на их основе можно буквально напичкать любой живой организм [13]. Останется только научить их беспроводной передаче информации, и внутри человеческого тела можно будет создать локальную сеть сенсоров, постоянно следящих за различными медицинскими показателями вроде уровня глюкозы, сердечного ритма и электрической активности избранных нейронов, а потом передающими свои сигналы имплантированным медицинским роботам на основе тех же ионных насосов, чтобы они начинали бороться с проблемой.

Если же мысль стать таким киборгом вам совсем не по душе, можно будет просто проглотить таблетку со встроенной гибкой микросхемой — по кислотности, температуре и концентрации разных веществ она точно вычислит, где выпустить лекарство, и, сделав доброе дело, просто переварится у нас внутри как какой-нибудь кусочек сахара.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Биосенсоры и Биочипы

Биосенсоры — это аналитические устройства, в которых чувствительный слой, содержащий биологический материал, реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует электрический сигнал, функционально связанный с наличием и концентрацией этого вещества. Биоматериалом могут служить ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, а также клетки, которые иммобилизованы на физических датчиках

Принципы конструирования биосенсоров. Конструктивно биосенсор представляет собой устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом

Разновидности биосенсоров и их применение. Ферментные биосенсоры могут быть представлены ферментными электродами, ферментными микрокалориметрическими датчиками, биодатчиками на основе хеми- и биолюминесценции.

Клеточные биосенсоры. Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы и применением такого рода материалов для решения задач медицины и управляемого биосинтеза.

Для создания биосенсоров используют различные микроорганизмы: Neigrospora еигореа — для определения аммиака, Trichosporon brassicae — для определения уксусной кислоты, Sarcina flava — для определения глутамина, Azotobacter vinelaudit — для определения нитратов и др

Биосенсоры можно использовать также для: измерения пищевой ценности, свежести и безопасности продуктов питания; экспресс-анализа крови непосредственно у кровати больного; обнаружения и измерения степени загрязнения окружающей среды; детекции и определения количества взрывчатых веществ, токсинов и возможного биологического оружия; извлечения металлов из сточных вод; изготовления водородных солнечных элементов; очистки природных и сточных вод.

Биочипы Прообразом современных биочипов послужил Саузернблотт, изготовленный в 1975 г. Э. Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать биочипы только в конце 1980-х гг. в Институте молекулярной биологии РАН под руководством А.Д. Мирзабекова.

Биочип и принцип его работы. Существует несколько разновидностей биочипов — матричные (с иммобилизованной ДНК), микрофлюидные (капиллярные) и биочипы с использованием микросфер с цветовой кодировкой. размеры ячеек лежат в пределах 50-200 микрон, Общее число ячеек на чипе составляет 103-105, а его линейные размеры составляют приблизительно 1 см.

Чаще всего для изготовления чипов служат пластинки из стекла, пластика, полупроводника или металла, на которые наносят биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. В настоящее время преобладает производство ДНК-чипов (94 %), т. е. матриц, несущих молекулы ДНК. Оставшиеся 6 % составляют белковые чипы.

В основе принципа работы всех типов биочипов с иммобилизованной ДНК лежит точное соответствие между прямой и комплементарной ДНК по правилу Уотсона — Крика (А/Т или G/С). Гибридизуемая ДНК обычно заранее нарабатывается в достаточных количествах с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Далее в ходе реакции на чипе происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них с известной последовательностью нуклеотидов зафиксирована на пластине, а другая одноцепочечная ДНК-мишень, меченная флуоресцентной меткой, наносится на ДНК-чип.

Особенностью российских гелевых биочипов является то, что такие гели удерживают большее количество пробы, нежели двухмерные, и потому чувствительность отечественных биочипов выше, а следовательно, ниже требования к регистрирующей аппаратуре. Немаловажно и то, что реакции в объемном геле протекают так же, как и в жидкостях, т. е. как в живом организме. Это позволяет получить результат, максимально приближенный к реальности.

ДНК микрочипы применяют с целью практического использования информации, полученной в результате секвенирования геномов человека и других живых организмов, а именно для: идентификации мутаций в генах, связанных с различными заболеваниями; наблюдений за активностью генов; диагностики инфекционных заболеваний и определения наиболее эффективного метода терапии; идентификации генов, важных для продуктивности сельскохозяйственных культур; скрининга микроорганизмов, как патогенных, так и полезных, например используемых для восстановления зараженных органическими отходами почв.

Белковые микрочипы предполагается использовать для: — обнаружения белковых биомаркеров, характерных для различных заболеваний и даже разных их стадий; — оценки потенциальной эффективности и токсичности препаратов в доклинических испытаниях; — измерения различий в синтезе белков отдельными типами клеток; клетками, находящимися на разных стадиях развития; здоровыми и патологически измененными клетками; — изучения взаимосвязи между структурой и функциями белков; — оценки экспрессии белков с целью выявления мишеней для новых лекарственных препаратов; — изучения взаимодействий между белками и другими молекулами.

Применение биочипов. Биочипы применяют как для исследовательских целей, так и в практической медицине. Они помогают в поиске и установлении функций различных генов. Используя биочипы, можно диагностировать не только наследственные заболевания, но и болезни, являющиеся результатом прижизненных мутаций в генетическом коде. Микрочипы помогают изучать молекулярные механизмы и осуществлять проверку действия различных лекарств, причем показания и противопоказания по применению препаратов можно выявлять на индивидуальном уровне.

Разрабатываются также биочипы для диагностирования различных форм туберкулеза. Биочипы можно применять для контроля за некоторыми смертельно опасными бактериями (так, есть биочипы, позво¬ляющие определять возбудителей сибирской язвы, оспы, чу¬мы и бруцеллеза). Российские ученые получили грант Американского центра по контролю заболеваний (CDC) для совместной работы по выявлению штаммов вирусов гриппа.

Читайте также: