научная статья по теме БИОСЕНСОРЫ В РОССИИ: 20 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «БИОСЕНСОРЫ В РОССИИ: 20 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 66, № 11, с. 1144-1149

= ОБЗОРЫ

УДК 543.9

БИОСЕНСОРЫ В РОССИИ: 20 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ

© 2011 г. Г. А. Евтюгин

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Химический институт им. А.М. Бутлерова

420008 Казань, ул. Кремлевская, 18 Поступила в редакцию 30.09.2010 г., после доработки 25.01.2011 г.

Рассмотрены основные достижения российских исследований в области биосенсоров в период с 1991 г. по настоящее время. Дана классификация биосенсоров по природе биохимического компонента. Приведены основные обзоры российских ученых, посвященные ферментным, микробным, иммуно- и ДНК-сенсорам, а также наиболее интересные результаты, полученные в данной области.

Ключевые слова: биосенсор, ДНК-сенсор, ферментный сенсор, иммуносенсор, микробный сенсор.

Биосенсоры — аналитические устройства, включающие в качестве элементов распознавания биохимические (биологические) компоненты — ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела, органеллы клеток, сами клетки и биологические ткани. Первое описание биосенсора датируется 1962 г., но активные исследования в данном направлении фактически начались в 1980-х годах в связи с успехами в биотехнологии (выделение и стабилизация in vitro биохимических компонентов) и перспективами коммерциализации. Советская наука активно развивала исследования в области биосенсоров в соответствии с мировыми тенденциями. Распад СССР, сопровождавшийся резким сокращением финансирования и иммиграцией многих ученых, больно ударил по отечественной науке. Тем не менее, благодаря кооперации российских научных учреждений удалось достаточно быстро восстановить позиции отечественной науки. В 1995 г в серии "Advances in Biosensors" вышел том, полностью посвященный исследованиям, проводимым в России [1]. Позднее отечественный опыт исследований в области биосенсоров неоднократно освещался в специализированных обзорах, причем не только в отечественной, но и международной периодике, а также в составе тематических сборников и монографий международных издательств [2—4].

В обзоре рассмотрены основные достижения отечественной аналитической химии в области создания и использования биосенсоров. Ограниченный объем обзора не позволяет дать ссылки на все работы и направления исследования, тем более что значительная их часть проводится специалистами смежных областей и не всегда находит адекватное отражение в аналитических журналах. В рамках обзора не рассматриваются биочипы на основе ДНК и белков, активно развиваемые в медицинской диагностике [5, 6].

Ферментные сенсоры. По сравнению с международными исследованиями, особенно в 1990-е годы, развитию глюкозных сенсоров в России уделялось несколько меньше внимания, хотя есть примеры коммерциализации соответствующих разработок. В 1990-х годах в Институте электрохимии РАН были разработаны опытные образцы стационарных и мобильных глюкометров. В настоящее время выпускается семейство портативных глюкометров "Сателлит" (фирма ЭЛТА). Выпускаются глюкоз-ные анализаторы ВНТК "Биосенсоры" (Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН), ориентированные на потребности пищевой и микробиологической промышленности [2]. Помимо глюкозы, анализаторы позволяют определять этанол, крахмал, в перспективе — и другие компоненты, причем помимо ферментов в них можно использовать микроорганизмы. Есть надежды, что в ближайшем времени начнется коммерциализация и других перспективных разработок отечественных ученых в области портативных глюкометров, в частности, связанных с безыгольным отбором крови и использованием отечественных сменных планарных глюкозных электродов (совместная разработка Института физической химии и электрохимии РАН и кафедры аналитической химии МГУ им. М.В. Ломоносова).

Большое внимание уделено изучению перокси-дазы в связи с ее использованием для определения субстратов (пероксид водорода, органические гид-ропероксиды, окисляющиеся органические соединения) и включением в качестве вспомогательного компонента в иммуносенсоры и в биферментные сенсоры на основе оксидоредуктаз. Предложены новые источники фермента, в том числе, продукты генной инженерии, отличающиеся отсутствием по-лисахаридного каркаса, а также способы иммобилизации, повышающие чувствительность регистрации пероксидазной активности и ее способность к пря-

мому (безмедиаторному) переносу электрона [7, 8]. Выделены и охарактеризованы пероксидазы из нетрадиционных источников (соя, листья пальмы, микроорганизмы) [9]. Интересно применение пероксидазы для суммарного определения окисляющихся соединений, позволившее оценить антиок-сидантную активность анализируемого объекта [10].

Активно развивается изучение прямого электронного переноса между активным центром окси-доредуктазы и электродом — преобразователем сигнала. Следует напомнить, что открытие прямого биоэлектрокатализа (приоритет по Госреестру изобретений СССР от 19 декабря 1985 г., открытие №311), является важным достижением отечественной науки, предопределившим развитие безмедиа-торных биосенсоров не только в нашей стране, но и во всем мире. Применительно к биосенсорам био-электрокатализ изначально реализован на примере лакказы [11]. Изучены реакции переноса электрода и в биосенсорах на основе других ферментов — пероксидазы [8], глкозооксидазы [11], цитохрома Р450 [12] (см. также обзор [13] и ссылки в нем). Использование прямого электронного переноса представляет интерес в связи с исследованием строения и функционирования активного центра фермента. Кроме того, он позволяет создавать так называемые безреа-гентные биосенсоры, не требующие для функционирования дополнительных реагентов.

Большое значение имеют исследования цитохрома Р450, катализирующего окисление и М-деме-тилирование органических субстратов. Сложность создания биосенсоров на основе цитохромов Р450 связана со стерическими ограничениями электронного переноса с активного редокс-центра фермента. Использование золотых наночастиц и других электроактивных матриц позволило оценить кинетические характеристики биокаталитического цикла и получить устойчивый сигнал в отношении низкомолекулярных субстратов [12, 14, 15]. Применение ци-тохрома Р450 в составе биосенсоров перспективно для изучения метаболизма лекарственных препаратов, диагностики наркомании, определения биомаркеров ряда заболеваний и эколого-аналитиче-ском контроле.

Сходные с цитохромом Р450 задачи решают ами-ноксидазы, отличающиеся широкой субстратной специфичностью и позволяющие определять лекарственные препараты, нейротрансмиттеры и метаболиты [16—18]. Предложены способы иммобилизации аминоксидаз на поверхности стеклоуглеродных электродов, модифицированных медиаторными системами или ртутными пленками с последующей электрохимической регистрацией продуктов ферментативного превращения субстрата (пероксид водорода или продукты дезаминирования). Разработанные биосенсоры позволяют определять наномо-лярные концентрации тетра-, три- и дициклических антидепрессантов. Моноаминоксидазы, иммобили-

зованные на углеродных материалах, использовали для изучения электронного переноса на ряд синтетических акцепторов электронов [18, 19], позже примененных в качестве медиаторов в других ферментных сенсорах на основе оксидоредуктаз.

Большое внимание при создании ферментных сенсоров уделяется модификации преобразователей сигнала и иммобилизации ферментов на их поверхности. Важным вкладом российских ученых следует считать иммобилизацию ферментов из полярных органических растворителей [20]. Так были получены препараты ферментов, физически удерживаемые в нафионе, с повышенной устойчивостью и чувствительностью сигнала за счет сохранения оптимальной конформации белка в мембране и улучшенной проницаемости биокаталитического слоя для кислорода и малополярных органических субстратов (пероксидаза и глюкозооксидаза) [21, 22].

Из других достижений, связанных с конструированием ферментных сенсоров, следует отметить использование электрополимеризованных материалов. Разработаны сенсоры на основе полимеризо-ванных флавинов, фенотиазиновых и феноксази-новых красителей, отличающихся высокой эффективностью медиаторного окисления NADH. Это увеличило время жизни биосенсоров и повысило чувствительность определения субстратов NAD-зависимых оксидоредуктаз [23, 24].

В составе ферментных сенсоров широко используют электроды, модифицированные металлоциа-натными комплексами, прежде всего, берлинской лазурью [25—27]. Благодаря эффективности переноса электрона в этой системе удалось существенно снизить рабочие потенциалы измерения сигнала сенсоров и повысить чувствительность определения пероксида водорода и субстратов оксидоредуктаз, ферментативное окисление которых сопровождается образованием пероксида водорода в биочувствительном слое сенсора. Для повышения операционной стабильности медиатора электроды, модифицированные берлинской лазурью, дополнительно покрывали полимерными пленками, в том числе, электрополимеризованными. Ограничение роста кристаллов медиатора позволило получить нано-структурированный слой берлинской лазури, обладающий выдающейся чувствительностью к перок-сиду водорода (предел обнаружения 1 нМ) [28].

Биосенсоры для определения ингибиторов ферментов в основном используют в своем составе хо-линэстеразы из различных источников. Они необходимы для обнаружения боевых отравляющих веществ (позднее — контроля их уничтожения), а также фосфорорганических и карбаматных инсектицидов. Теоретические аспекты определения ингибиторов подробно рассмотрены в обзорах [29, 3 (с. 50)]. Практическое применение ингибиторных биосенсоров осложнено чувствительностью сигнала к матрице пробы, недостаточной селективностью

1146

ЕВТЮГИН

определения и жесткими требованиями к пределам обнаружения ингибиторов. Разработаны холинэсте-разные сенсоры на основе различных носителей фермента (полианилин, белковые матрицы, производные целлюлозы, желатин) и преобразователей сигнала (рН-чувствительные сенсоры, стеклоугле-родные электроды, модифицированные различными носителями), позволяющие определять до 0.1 нМ пестицидов — необратимых ингибиторов фермента [30—32]. Ва

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»