Biyosensörler


Cem Hazır - Hacettepe Üniversitersi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji A.B.D. ,Yüksek Lisans Öğrencisi

Biyosensörler, biyolojik bir yanıtı elektrik sinyaline dönüştüren cihazlar olarak bilinmekte, çoğunlukla kimyasal bir reaksiyondaki analitin konsantrasyonu ile ilişkili sinyalleri oluşturarak, biyolojik belirteç seviyeleri ve/veya herhangi bir kimyasal reaksiyonu tahmin etmeye yarayan cihazlar olarak da tanımlanabilmektedir. Sıcaklık, pH gibi fiziksel sınırlandırmalardan etkilenmemeleri, geri dönüştürülebilir olmaları ve ileri düzeyde spesifik olma gibi özelliklere sahip olmaları oldukça önemlidir.[1] Bir biyosensörün tasarımına yönelik pratik olan yaklaşımlar, biyolojide ve kimyada çok disiplinli araştırma mühendisliği sunan fabrikasyon, immobilizasyon, transdüksiyon cihazlarına ihtiyaç duymaktadır.[2] Biyosensörlerin üretilebilmesi için gerekli olan malzeme, cihazın çalışma mekanizmasına göre 4 farklı gruba ayrılmaktadır:


1) Biyokatalitik (enzim bazlı biyosensörler)

2) Biyoafinite (antikor, antijen ve nükleik asit bazlı biyosensörler)

3) Mikrobiyal (mikroorganizma bazlı biyosensörler)

4) Nanosensörler (hastalığın erken teşhisine karşı duyarlılığı artıran aktif nanoparçacıklı sensörler)

Şekil 1: Biyosensörlerin şematik gösterimi.

Tipik bir biyosensörün içermesi gereken kısım/bölümler şunlardır:


1) Analit: Tespit edilmesi gereken madde (örneğin: diyabet için glikoz).

2) Biyoreseptör: Analiti tanıyan molekül (örneğin: enzimler).

3) Dönüştürücü: Herhangibir biyo-tanıma (bio-recognition) olayını sinyalizasyon olarak bilinen ölçülebilir bir sinyale dönüştürür.

4) Elektronik kısım: Dönüştürülen sinyali görüntüleme biçiminde işler.

5) Görüntüleme: Biyosensör üretimi için gerekli olan donanım ve yazılımla birlikte sıvı kristal ekrana sahip olan bölüm.


Farklı alanlarda kullanılan ve farklı çeşitlere sahip olan biyosensörler ilaç keşfi, toksin, hormon, ağır metal, pestisit, ilaç seviyelerini yüksek hassasiyetle anlamada ve hastalık durumlarının belirlenmesinde önemli bir yere sahiptir.[3] Selektivite (seçicilik), yeniden üretilebilirlik, stabilite, sensivite (hassasiyet), doğrusallık (ölçülen yanıtın doğruluğu) biyoreseptörlerin genel özellikleri arasında yer almaktadır.[2] Biyosensörler, tıp bilimi, gıda endüstrisi, denizcilik sektörü gibi çeşitli alanlarda uygulanmakta ve geleneksel yöntemlere göre daha yüksek doğrusallık ve hassasiyet için programlanarak tıp ve diğer alanlardaki kullanım hızının artırılması amaçlamaktadır. Örneğin, diyabet (diabetes mellitus) tanısı için kullanılan glikoz biyosensörleri tıp alanında kullanılan en yaygın biyosensör çeşitlerinden biri olarak karşımıza çıkmaktadır.


Glikoz Biyosensörleri


Diyabet (diabetes mellitus) artış gösteren bir global prevalans ve insidansa sahip olan, metabolik ve/veya endokrinolojik bir hastalıktır. Pankreasın yeterli insülin salgılayamaması veya glikozun hücrelere insülin tarafından doğru bir şekilde taşınamaması hastalığa neden olduğu bilinen mekanizmalardan bazılarıdır.[4] Diyabet hastalığı için bulunan ana tanı kriteri, diyabet hastaları tarafından da yapılabilen kan şekeri seviyesinin glikoz biyosensörleri tarafından izlenmesidir. Yapılan çalışmalar kan şekeri seviyesinin normal düzeyde kontrol edilmesinin, mikrovasküler (nefropati, nöropati ve retinopati) ve makrovasküler (koronar arter hastalığı ve inme) komplikasyonların hafiflemesine ve iyileşmesine yardımcı olabileceğini göstermiştir.[5] Ticari olarak üretilmiş olan çok sayıda glikoz biyosensörü bulunmakta ve geliştirilerek üretilmeye devam etmektedir.


a) Birinci Nesil Glikoz Biyosensörleri: Clark ve Lyons tarafından oluşturulan birinci nesil glikoz biyosensörü, glikoz oksidaz enzimi (GOx) kullanımı ile elektrokimyasal yaklaşıma dayalı olarak 1962 yılında üretilmiştir. Birinci nesil glikoz biyosensörleri elektrokimyasal yaklaşım nedeniyle yüksek hassasiyet gösteriyor ve üretimi düşük maliyet içeriyordu. Glikoza karşı yüksek hassasiyet gösteren glikoz oksidaz enzimi (GOx), diğer enzim gruplarına göre (örneğin hekzokinazlar) pH ve sıcaklık değişimini tolere edebildiği için, enzim bazlı bu biyosensörlerin üretiminde kullanıldı.


Glikoz oksidaz enzimi oksijen varlığında glikozu oksitleyerek glukonolaktona (gluconolactone) çevirerek, ürün olarak hidrojen peroksit (H202) ve su oluşturur. Reaksiyonun devamında, bir karboksilik asit olan glukonik asit oluşur. GOx, oksidasyon sürecini gerçekleştirebilmek için flavin adenin dinükleotid adı verilen (FAD+) redoks kofaktörüne ihtiyaç duyar ve FAD+ redoks reaksiyonları ile FADH2'ye indirgenen evrensel bir elektron alıcısıdır. Oksijen kullanarak H202 üretilen reaksiyon FAD+'ı anotta yeniden üretir, bu durum H202 üretimi ile orantılı olarak aktarılan elektronu, dolayısıyla kanda bulunan mevcut glikoz miktarını ölçebilmektedir. 1973 yılında Guilbailt ve Lubrano, glikoz tayini için H202 salınımını izleyen yeni, anodik bazlı bir enzim elektrodu geliştirdi. Bu sayede 1980 yılların başında ikinci nesil, daha yüksek hassasiyet gösteren glikoz biyosensörlerinin geliştirilmesi gündeme gelmiş oldu.[6,8]


Şekil 2: Glikozun Glikoz oksidaz yardımıyla Glukonik asite dönüşmesi

b) İkinci Nesil Glikoz Biyosensörleri: Yeni nesil iyileştirmeler oksijenin, redoks medyatörleri (örn: ferrosen, ferrisiyanid, metilen mavisi vb.) olarak adlandırılan fizyolojik olmayan elektron alıcıları ile yer değiştirmesiyle gerçekleştirilmiştir.[7,8] Oksidize olmuş ya da indirgenmiş oksijenle reaksiyona girmemesi, pH'tan bağımsız olarak tersinir elektron transfer kinetiğine sahip olması, enzimlerle hızlı bir şekilde reaksiyon göstermesi ve benzeri özellikleri ferroseni glikoz biyosensörü için kullanılabilen uygun bir medyatör haline getirmiştir. Fakat, ikinci nesil glikoz biyosensörlerinde kullanılan medyatörlerin yüksek toksisiteye sahip olabilme özellikleri yeni nesil glikoz biyosensörlerinin geliştirilmesine ön ayak olmuştur.


c) Üçüncü Nesil Glikoz Biyosensörleri: Üçüncü nesil glikoz biyosensörleri toksisiteye sahip olan medyatöre ihtiyaç duymadan, enzim ve elektrot arasında elektron değişimini sağlayabilmektedir. Bu tip glikoz biyosensörlerinde medyatörlere olan ihtiyacın kalmaması, biyosensördeki seçiciliğin daha da artmasına neden olmuştur. İlerleyen yıllarda enzimatik olmayan glikoz biyosensörleri geliştirilmiştir.[8]


Biyosensörler, biyobelirteç kullanarak insan hastalıklarının erken teşhisinde bulunmamıza yardım etmekte ve geliştirilerek gelecekte de yardım etmeye devam edecektir.







Referanslar

1) Mehrotra P. (2016). Biosensors and their applications-A review. J Oral Biol Craniofac Res. 6(2):153-9.

2) Bhalla N, olly P, Formisano N, Estrela P. (2016). Introduction to biosensors. Essays Biochem. 60(1):1-8

3) Ngoepe M, Choonara YE, Tyagi C, Tomar LK, Toit LC, Kumar P, ... , Pillay V. (2013).

Integration of biosensors and drug delivery technologies for early detection and chronic management of illness. Sensors (Basel). 13(6):7680-713.

4) M.N. Piero, G.M. Nzaro, J.M. Njagi. (2014). Diabetes mellitus - a devastating metabolic disorder. Asian Journal of Biomedical and Pharmaceutical Sciences. 04(40):1-7

5) Martín-Timón I, Sevillano-Collantes C, Segura-Galindo A, Del Cañizo-Gómez FJ. (2014). Type 2 diabetes and cardiovascular disease: Have all risk factors the same strength?. World journal of diabetes, 5(4), 444–470. https://doi.org/10.4239/wjd.v5.i4.444

6) Wang J. (2008). Electrochemical glucose biosensors. Chem Rev.108(2):814-25.

7) Rahman, M. M., Ahammad, A. J., Jin, J. H., Ahn, S. J., & Lee, J. J. (2010). A comprehensive review of glucose biosensors based on nanostructured metal-oxides. Sensors (Basel, Switzerland), 10(5), 4855–4886. https://doi.org/10.3390/s100504855

8) Metkar SK, Girigoswami K. (2018). Diagnostic Biosensors in Medicine. Biocatalysis and agricultural biotechnology. (17):271-83

Şekil 1,2: Metkar SK, Girigoswami K. (2018). Diagnostic Biosensors in Medicine. Biocatalysis and agricultural biotechnology. (17):271-83


0 görüntüleme

Türkiye'nin Tek Popüler Genetik Bilim Dergisi

Bezelye Dergi ISSN: 2587-0173

Bizi Takip Et
  • Beyaz Facebook Simge
  • Beyaz Instagram Simge
  • White Twitter Icon
  • Icon-gmail
  • kisspng-white-logo-brand-pattern-three-d
  • images
  • medium
  • Dergilik
  • YouTube

© 2019 by Bezelye Dergi