Een nieuw concept voor een biosensor van de metaboliet lactaat combineert een elektronentransporterend polymeer met lactaatoxidase, dat is het enzym dat specifiek de oxidatie van lactaat katalyseert. Lactaat wordt geassocieerd met kritieke medische aandoeningen, dus de detectie ervan is belangrijk voor de gezondheidszorg.

De prestaties van de biosensor hangen af ​​van de elektronenoverdracht tussen de detectie-elektrode en het enzym. Dit neemt toe wanneer de afstand tussen de actieve plaatsen van het enzym en het elektrodeoppervlak kleiner wordt. Redox-enzymen zijn naar voren gekomen als optimale componenten voor biosensoren omdat hun vermogen om elektronenoverdracht te realiseren een aanvulling vormt op hun specificiteit in doelbinding en katalytische activiteit.

Typische pogingen om een ​​goede elektrische communicatie te bereiken, omvatten ingewikkelde elektrodemodificaties en extra bemiddelaars, dat zijn redox-actieve moleculen die elektronen tussen elektrode en enzym pendelen. Daarom, biosensoren tot nu toe zijn beperkt in termen van hun doelmetabolieten en omgevingen. Dit heeft het gebruik ervan voor toepassingen op uiteenlopende gebieden, zoals biotechnologie, landbouw, en biogeneeskunde. In plaats daarvan, hun voornaamste gebruik is beperkt tot in vitro elektrochemische biosensoren voor glucosemonitoring bij diabetespatiënten.

Om deze leemte op te vullen, Sahika Inal van KAUST en medewerkers van Imperial College London en de University of Cambridge, VK, hebben een biosensor ontwikkeld die kan worden aangepast in een transistorconfiguratie op micronschaal om elke metaboliet van belang te detecteren.

In het hart van het proof-of-concept-apparaat, de onderzoekers hebben lactaatoxidase geconjugeerd met een zogenaamd organisch elektrochemisch transistorpolymeer. Dit elektronentransporterende polymeer fungeert tegelijkertijd als een efficiënte schakelaar en een krachtige signaalversterker:het kan elektronen van de enzymatische reactie accepteren en meerdere reductiereacties ondergaan via verschillende redox-actieve plaatsen.

Dit polymeer draagt ​​ook hydrofiele zijketens die intramoleculaire interacties met lactaatoxidase vergemakkelijken, waardoor het enzym dicht bij het transducerende materiaal komt. Dit bevordert de elektrische communicatie en, bijgevolg, verhoogt de gevoeligheid van het polymeer voor lactaat. Deze interacties tussen polymeer en enzym vermijden ook het wijzigen van het elektrode-oppervlak en het gebruik van een mediator, "wat de fabricage van apparaten vereenvoudigt, " legt Inal uit. Ze voegt eraan toe dat, in tegenstelling tot eerdere biosensoren, het apparaat heeft geen referentie-elektrode nodig, wat ontwerpflexibiliteit biedt.

"Onze grootste uitdaging was het vinden van het juiste materiaal voor deze sensor, " zegt Inal. Na deze eerste hindernis, haar team ondervond problemen bij het interpreteren van de reactie van de biosensor. "Dit apparaat verraste ons met zijn hoge efficiëntie, " ze zegt.

Inal's team bij KAUST werkt momenteel aan een ontwerp dat metabolieten in verschillende omgevingen zal detecteren. "Een voor de hand liggende toepassing van dit systeem is een lab-on-a-chip lactaatsensor, " voegt ze eraan toe. Zo'n sensor zou vooral handig zijn in draagbare lactaatbewakingsapparatuur. dit nieuwe systeem opent ook nieuwe mogelijkheden voor het benutten van enzymen om energie op te wekken en op te slaan.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .