Hvad er en biosensor?

En biosensor er et system, der ved hjælp af en bestemt biokemisk reaktion kan detektere et kemisk stof. Det tidligste eksempel på en biosensor er ”kanariefuglen i buret”. Minearbejdere tog en kanariefugl i et bur med sig ind i kulminerne, hvor fuglen fungerede som en visuel indikator af, om koncentrationen af toksiske gasser (så som kulilte og metan) i minen havde nået et farligt niveau. På grund af sin størrelse og høje metabolisme, blev kanariefuglen påvirket før minearbejderne. Når fuglen faldt om og døde, var det er klart signal til arbejderne om at forlade minen så hurtigt som muligt.

Nutidens biosensorer er ikke så grusomme som i eksemplet ovenfor, men hjælper stadig med at redde liv og hjælper med at analysere og måle koncentrationen af forskellige stoffer.

Biosensoren fra Aarhus Universitet består af to såkaldte transducere: en primær og en sekundær (Figur 1). Den primære transducer, der også kaldes for sensormodulet, er ansvarlig for genkendelsen af analytten - det kemiske stof som man er ved at undersøge. Når genkendelsen sker, sker der en signaloverførsel til den sekundære transducer.

Den sekundære transducer er på denne måde påvirket indirekte af analytten og direkte af ændringen af den primære transducer. Genkendelsen af stoffet foregår via forskellige biokemiske processer, det gælder også oversættelse af signalet (Figur 1). Den sekundære transducer står for at producere et output, som nemt kan detekteres.

Figur 1. Signaloverførsel i biosensoren. Analytten genkendes af den primære transducer ved hjælp af en biokemisk reaktion, som er medieret ved hjælp af en eller flere komponenter listet i ”Primær transducer”-kassen. Den primære transducer interagerer med den sekundære transducer, som oversætter genkendelsessignalet til et mere læseligt output signal.

Opbygning af dopamin biosensoren

Den primære transducer i dopamin biosensoren består af en aptamer (Box 1 - nederst) der kan binde dopamin (Figur 2A) (Farjami, Campos et al. 2013). Den sekundære transducer er en guld-elektrode med et positivt ladet selvsamlende lag af cysteamine (etan med aminogruppe i den ene ende og thiol (–SH) gruppe i den anden ende). Cysteamine binder til guld elektroden via en specifik thiol–guld kovalent binding. Den elektrostatiske interaktion mellem den negativ ladet aptamer og positiv ladet cysteamine, holder aptameren bundet til elektroden.

Figur 2. Dopamin biosensor opbygning og aktivering. A. Guld elektrode med selvsamlet monolag af positivt ladet cysteamine molekyler interagerer via elektrostatisk interaktion med den negativt ladet aptamer (vist som rødt bånd) B. Aptamer bundet dopamine overfører elektroner til guldelektroden, hvorefter de detekteres som en strøm.

Er dopamin til stede i prøven, vil aptameren binde til det (Figur 2B). Det bundne dopamin molekyle er nu tæt på guld elektroden og kan overføre to elektroner via en oxidation-proces til elektroden. Denne elektrokemiske proces kan nemt registreres ved at måle den genererede strømstyrke (Figur 3).

Jo støre koncentration af dopamin i prøven, jo større er den genererede strømstyrke (Figur3, graf 1). Hvis man måler koncentrationen af dopamin-lignende molekyler, så som noradrenalin, adrenalin, L-DOPA, DOPAC, catechol, tyramine eller methyldopamine (Figur 3, graf 2-8), ser man ikke denne sammenhæng. Denne egenskab gør sensoren specifik og nyttig til at måle dopamin koncentrationer, så lave som 0,1 µM.

Figur 3. Dopamin koncentrationsmåling: Sammenhængen mellem dopamin koncentration i prøven og den målte strømstyrke (linie 1). Dopamin-lignende molekyler (noradrenalin, adrenalin, L-DOPA, DOPAC, catechol, tyramine eller methyldopamine)viser ikke sådan en sammenhæng (Linier 2-8).

Kan man overhovedet måle hvor glad man er?

Det er måske svært at måle præcis hvor glad man er, da det afgøres af et komplekst sammenspil af adskillige neurotransmittere(Box 2 - nederst). Med den ny opfundne dopamin-sensor fra Aarhus Universitet er vi måske kommet et skridt tættere på.

Dopamin er et lille signalmolekyle der spiller forskellige roller i vores hjerne og er involveret i mange processer så som kognition, bevægelse, motivation, straf og belønning, søvn, drømme, humør, opmærksomhed, hukommelse og læring.

Nogle aldersrelaterede degenerative sygdomme, som Parkinson’s rammer dopamin producerende celler. Biosensoren kan muligvis også bruges til at påvise, om der er nedgang i produktionen af dopamin i hjernen og på den måde alarmere om sygdom under udvikling.

Box 1. Aptamere er nukleinsyre molekyler(DNA eller RNA), der har antistof lignende egenskaber og specifikt binder til bestemte stoffer, molekyler eller proteiner. De fleste enzymatiske egenskaber er overtaget af proteiner, men der er nogle nukleinsyrer der er enzymatiske og også i stand til at genkende specifikke molekyler. De fleste af disse er RNA-aptamere, men man kan også finde eksempler på DNA-aptamere. RNA-aptamere bruges flittigt af naturen selv, mens DNA-aptamere for det meste er kunstige molekyler. Til højre er der vist en struktur af en aptamer der binder meget specifikt til et theophylline molekyle (rødt).

Box 2. Neurotransmittere – er kemiske stoffer, som frigøres i synapser og dermed overfører signal fra et neuron til et andet. Selve signalet der overføres langs neuronet er et elektrokemisk signal, som ikke kan overføres over synapse mellemrummet, der typisk er mellem 20-40 nm. Man kan tænke på neuronet som en kobberledning og synapsen er det sted, hvor ledningen er skåret over. For at sende et signal over synapsen frigives små signalmolekyler, som kan aktivere det modtagende neuron, der videreføre signalet. Signalmolekylerne er neurotransmittere så som dopamine.

Farjami, E., R. Campos, et al. (2013). "RNA aptamer-based electrochemical biosensor for selective and label-free analysis of dopamine." Analytical chemistry85(1): 121-128.