Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии

Оптические биосенсоры представляют собой еще одну важную технологию в области биосенсорного анализа, основывающуюся на применении оптоволоконной химии. Выявление индивидуальных молекул, например, ДНК или пептидов, наиболее эффективно при использовании перекрестно-сшитых гидрогелей, имеющих высокий коэффициент вместимости и гидрофильную природу. Были разработаны оптические биосенсоры для измерения количества ДНК, имеющие широкое применение в биомедицине и криминалистике. Комбинации биологических материалов, такие как фермент/субстрат, антитело/антиген и нуклеиновые кислоты совершили революцию в технологии оптических биосенсоров.
Помимо этого, в биосенсорную систему можно инкорпорировать микроорганизмы, животные или растительные клетки, а также срезы тканей. Недавние достижения в области молекулярной оптоэлектроники обусловили возможность появления оптических биометрических систем распознавания. Интегрированная оптическая технология позволяет инкорпорировать как пассивных, так и активных оптических компонентов в один и тот же субстрат для разработки минимизированных компактных регистрирующих устройств при производстве множества сенсоров на одном чипе. В данном контексте высококачественные полимеры используются для изготовления гибридных систем для оптических биосенсоров. Фактически технология оптических биосенсоров была усовершенствована с помощью современных инноваций в области анализа морфологии поверхностей с помощью высокотехнологичных электронной и атомно-силовой микроскопии. Несмотря на это, порог обнаружения оптических биосенсоров никогда не приближался к фемто-уровню из-за стоимости приборного оснащения и непортативности устройства. Современные оптические технологии с использованием наномеханических биосенсоров на основе микрокантилеверов или технологии поверхностного резонанса легли в основу инновационных ДНК-чипов, по крайней мере, для проведения специфичного и чувствительного анализа в режиме реального времени. Преимущества оптических биосенсоров главным образом заключаются в высокой скорости проведения анализа с устойчивостью сигнала к электрической или магнитной интерференции, а также потенциальном спектре предоставляемой информации. С другой стороны, основным недостатком является высокая стоимость, обусловленная определенными требованиями к оборудованию. Решение других технических проблем, таких как сложность иммобилизации, в особенности для биопроизводства, и необходимость стерильных условий, является критичным вопросом для получения максимальной пользы от оптических биосенсоров.
Биопроизводство медицинских устройств обеспечивает лучшие результаты с точки зрения массового производства биосенсоров. Электрохимические и оптические биосенсоры являются основными технологическими компонентами при разработке высококлассных биосенсоров. Серьезные достижения в области технологий микро- и нанопроизводства обеспечили возможность разработки механических устройств с движущимися деталями наноразмеров. Возможность производства таких структур с применением процедур обработки полупроводниковых материалов объединила биофизические и биоинженерные принципы в направлении прогресса микро- и наноэлектромеханических биосенсоров, пригодных для массового производства. Материалы на основе стекла, оксида кремния и кварца успешно используются после мечения флуоресцирующими агентами или золотыми наночастицами. Несмотря на то, что такие биосенсоры обладают более высокой точностью при выявлении индивидуальных молекул, их малозатратное массовое производство менее реально. Массовое производство сенсоров связано с рядом проблем, а именно со сложностью более прочного связывания агентов на наноуровне при производстве с помощью микроэлектронных технологий для высокоскоростного анализа. В этом отношении стоит упомянуть огромный потенциал применения полупроводниковых материалов и технологии квантовых точек. На сегодняшний день ни одна из существующих биосенсорных технологий не позволяет в режиме реального времени осуществлять одновременный количественный анализ больших массивов образцов, однако внедрение технологий производства кантилеверов в микро- и наномасштабах может сделать это реальностью.
Еще одним важным техническим переворотов в области биосенсоров стала возможность создания генетически закодированных или синтетических флуоресцентных биосенсоров для анализа молекулярных механизмов биологических процессов. Несмотря на то, что такие биосенсоры имеют огромные перспективы в области выявления отдельных молекул с измерением количества специфичного аналита, методология пробоподготовки и выявления очень сложна и требует высокотехнологичного оборудования. С точки зрения биоматериалов, хорошими характеристиками в плане высокой чувствительности и избирательности обладают биосенсоры, работающие микробиологических топливных элементах. Однако методы массовой продукции и генной инженерии, требующиеся для создания штамма микроорганизмов, очень сложны и затратны. В то же время, преимуществом микробных биосенсоров является возможность их использования в качестве инструмента для биоремедиации, что имеет большую значимость с точки зрения мониторинга состояния окружающей среды. Однако разработка и высвобождение в окружающую среду такого генетически модифицированного штамма микроорганизмов, помимо регулирования затрат на производство, должно подвергаться строгому контролю, соответствовать этическим требованиям, а также регулироваться законодательством.
Ключевые факторы успеха выделены в таблице 1.






Таблица 1 – Ключевые факторы успеха (КФУ)

Ключевые факторы успеха (КФУ) Значимость КФУ Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой Биосенсоры на основе оксида кремния Биосенсоры на кристаллах кварца Балл Балл с учетом значимости Балл Балл с учетом значимости Балл Балл с учетом значимости Качество проведения диагностики 0,20 5 1,00 4 0,80 4 0,80 Возможности применения 0,20 5 1,00 5 1,00 5 1,00 Стоимость разработки технологии 0,20 5 1,00 5 1,00 4 0,80 Спрос на технологию 0,20 5 1,00 4 0,80 5 1,00 Будущее технологии 0,20 5 1,00 5 1,00 4 0,80 Взвешенная общая оценка 1,00 - 5,00 - 4,60 - 4,40
Можно отметить, что биосенторы имеют достаточно много ключевых факторов успеха.
Результаты STEP-анализа представлены в следующей таблице 2.








Таблица 2 - STEP - анализ
S- социум:
- появление класса населения, имеющих потребность в различных инновациях
- тесное развитие инновационных компаний T-технологические изменения:
- технологический прорыв
- стремительное развитие НТП
Э - экономика:
- стабильное развитие экономики
- коммерциализация исследований P-политика:
- создание нормативно-правовых актов
- политика государства
Таким образом, на основе STEP -анализа можно видеть, что на деятельность наибольшее влияние оказывают внутренние факторы, связанные с уровнем доходности населения и бизнеса, а также с активностью мелких конкурентов.
Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения
№ Тип Принцип Области применения 1 Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой Электрохимия с использованием окисления глюкозы Анализ уровня глюкозы в биологических образцах 2 HbA1c биосенсор Электрохимия с использованием ферроценбороновой кислоты Надежный аналитический метод для анализа гликированного гемоглобина 3 Биосенсор мочевой кислоты Электрохимия Для выявления клинический аномалий или заболеваний 4 Биосенсоры на основе ингибирования ацетилхолинестеразы Электрохимия Анализ влияния пестицидов 5 Пьезоэлектронные биосенсоры Электрохимия Выявления органофосфатов и карбаматов 6 Микротехнологические биосенсоры Оптические/визуальные биосенсоры с использованием фермента цитохрома Р450 Для разработки лекарственных препаратов 7 Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида) Оптические/визуальные биосенсоры Иммобилизация биомолекул 8 Биосенсоры на основе оксида кремния Оптические/визуальные/флуоресцентные Биовизуализация, биосенсорное обнаружение и терапия рака 9 Биосенсоры на кристаллах кварца Электромагнитные Для разработки ультравысокочувствительных методов выявления белков в жидкостях 10 Биосенсоры на основе наноматериалов Электрохимические или оптические/визуальные/флуоресцентные Для разнообразных областей применения, в том числе биомедицины, например, в качестве инструментов для диагностики 11 Генетически закодированные или меченые флуоресцентным агентом биосенсоры Флуоресценция Для изучения биологических процессов, в том числе различных внутриклеточных молекулярных систем 12 Биосенсоры на основе микробиологических топливных элементов Оптические Для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде, а также токсичности тяжелых металлов и пестицидов
Таблица 4 – Применение биосенсоров в диагностике заболеваний
№ Биосенсоры Диагностика заболеваний или применение в медицине 1 Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой и HbA1c биосенсор Сахарный диабет 2 Биосенсор мочевой кислоты Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний общего профиля 3 Микротехнологические биосенсоры Коррекция зрения 4 Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида) Регенеративная медицина 5 Биосенсоры на основе оксида кремния Разработка и применение иомаркеров рака 6 Биосенсоры на основе наноматериалов Для терапевтического применения

Таблица 5 – Типы биосенсоров, области их применения и характеристики
№ Тип биосенсора Области применения Характеристики Выявление аналитов: единичных (S) или множественных (M) Режим реального времени (***) и чувствительность (***) Портативность (да/нет) Стоимость ($$$$) и возможность адаптации (***) 1 Электрохимический (традиционный/старый) Диагностика заболеваний S Нет и * Нет $ и * 2 Электрохимический с применением микротехнологии (современный) Диагностика заболеваний и мониторинг состояния окружающей среды S & M *** и ** Да $$ и *** 3 Оптический/визуальный/флуоресцентный Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования S *** и *** Нет $$$ и *** 4 Оптический/визуальный/флуоресцентный с использованием биопроизводства Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования M *** и *** Нет $$$$ и *** 5 Микробный Производство энергии и изучения состояния окружающей среды S * и ** Да $$ и ** 6 Электромагнитный Биология белков S ** и ** Нет $ и *
В целом можно заявлять, что для создания высокочувствительных миниатюрных устройств требуется разработка различных микро- и нанобиосенсорных платформ с вовлечением интегрированных технологий, использующих электрохимический или оптический биоэлектронный принципы с комбинацией биомолекул или биологических материалов, полимеров и наноматериалов.

Заключение

Разработка биосенсоров преимущественно направлена на обеспечение чувствительности, специфичности, отсутствие токсичности, возможности выявления малых молекул и экономической эффективности. Эти характеристики в конечном итоге позволят достичь требуемых критических параметров и устранить основные ограничения биосенсорной технологии. Некоторые достижения, как это видно по комбинированию электрохимических сенсоров с наноматериалами, приводят к появлению новых типов биосенсоров. С данной точки зрения следует отметить изобретение «электронной кожи», заключающейся в нанесении на поверхность кожи в виде временной татуировки электрохимических биосенсоров для определения содержания в организме химических соединений. В целом более эффективное комбинирование биосенсорного исследования и биопроизводства с методами синтетической биологии, основанное на использовании электрохимических, оптических или биоэлектронных принципов, или их комбинации, является ключом к успешной разработки мощных биосенсоров для современной жизни.


Список литературы

Биосенсорные технологии. http://vnauke.by/yes/Nauki-o-zhizni/Budushhee-mediciny/Biosensornye-texnologii.
Обзор последних достижений в сфере биосенсорных технологий и возможных областей их применения. https://сверхчеловечество.рф/ru/generalarticle/2032-obzor-poslednikh-dostizhenij-v-sfere-biosensornykh-tekhnologij-i-vozmozhnykh-oblastej-ikh-primeneniya.








22