{"id":3336,"date":"2023-08-29T15:42:48","date_gmt":"2023-08-29T18:42:48","guid":{"rendered":"https:\/\/www.nucleodoconhecimento.com.br\/livros\/?p=3336"},"modified":"2023-08-29T17:34:23","modified_gmt":"2023-08-29T20:34:23","slug":"aplicacoes-de-biossensores","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.nucleodoconhecimento.com.br\/livros\/ciencias-biologicas-exatas-e-da-terra\/aplicacoes-de-biossensores","title":{"rendered":"Fundamentos, potencialidades e aplica\u00e7\u00f5es de biossensores: uma atualiza\u00e7\u00e3o"},"content":{"rendered":"

Alessandra Carla Guimar\u00e3es Sobrinho<\/em> [1]<\/a><\/sup><\/p>\n

Bruno Jos\u00e9 Brito Teixeira<\/em> [2]<\/a><\/sup><\/p>\n

Alexandre Carlos Guimar\u00e3es Sobrinho<\/em> [3]<\/a><\/sup><\/p>\n

Jesus Nazareno Silva de Souza<\/em> [4]<\/a><\/sup><\/p>\n

DOI: 10.32749\/nucleodoconhecimento.com.br\/livros\/3336<\/p>\n

INTRODU\u00c7\u00c3O<\/h2>\n

A \u00e1rea da Qu\u00edmica Anal\u00edtica que tem experimentado uma expans\u00e3o significativa e acelerada \u00e9 a do desenvolvimento de sensores eletroqu\u00edmicos. Essa evolu\u00e7\u00e3o \u00e9 motivada, em grande parte, pelos novos obst\u00e1culos que surgem no processamento de amostras de interesse ambiental, cl\u00ednico e industrial. Nesse contexto, a demanda por sensores mais eficientes, que apresentem caracter\u00edsticas como alta sensibilidade, seletividade e estabilidade, tem crescido consideravelmente. Ainda que os sensores eletroqu\u00edmicos apresentem grande versatilidade e perspectivas promissoras, \u00e9 comum que a utilidade de um eletrodo seja limitada, dentre as limita\u00e7\u00f5es deste m\u00e9todo eletroqu\u00edmico imposta pelos detectores, destacam-se a alta depend\u00eancia do sinal eletroqu\u00edmico com a vaz\u00e3o do eletr\u00f3lito\/amostra do detector eletroqu\u00edmico. Assim, pequenas oscila\u00e7\u00f5es na vaz\u00e3o devido \u00e0 pulsa\u00e7\u00e3o do carregador da amostra causam varia\u00e7\u00f5es no sinal eletroqu\u00edmico, que compromete a sensibilidade da an\u00e1lise. Essa estabilidade dos sinais eletroqu\u00edmicos \u00e9 estabelecida pela taxa de transfer\u00eancia de carga (el\u00e9tron) entre o eletrodo e a esp\u00e9cie eletroativa (presente na interface eletrodo-solu\u00e7\u00e3o) que depende das condi\u00e7\u00f5es de superf\u00edcie dos sensores (eletrodo) (AGUIAR et al., 2006).<\/p>\n

Dentro deste contexto, surgiu como alternativa o desenvolvimento de eletrodos quimicamente modificados (EQM) em 1970, a fim de modificar a reatividade e especificidade do sensor base, \u00e9 poss\u00edvel pr\u00e9-estabelecer e controlar a natureza f\u00edsico-qu\u00edmica da interface entre o eletrodo e a solu\u00e7\u00e3o. Um exemplo de eletrodo quimicamente modificado s\u00e3o os biossensores (CHO et al., 2020).<\/p>\n

Tecnicamente falando, o biossensor \u00e9 um fen\u00f4meno que ret\u00e9m t\u00e9cnicas estabelecidas para a produ\u00e7\u00e3o de um sinal de detec\u00e7\u00e3o acess\u00edvel de intera\u00e7\u00e3o entre mol\u00e9culas biol\u00f3gicas. Os biossensores podem ser usados em diferentes \u00e1reas (ALTUG et al., 2022). Nesse sentido, o artigo visa apresentar os fundamentos, potencialidades e aplica\u00e7\u00f5es sobre os biossensores.<\/p>\n

DESENVOLVIMENTO<\/h2>\n

A representa\u00e7\u00e3o geral de funcionamento de um biossensor \u00e9 apresentado na Figura 1, onde a matriz ou suporte envolvendo o componente biol\u00f3gico detecta o substrato e em seguida, como produto desta intera\u00e7\u00e3o entre uma mol\u00e9cula biol\u00f3gica e o substrato ocorrem varia\u00e7\u00f5es f\u00edsico-qu\u00edmicas. Estes s\u00e3o convertidos em um sinal el\u00e9trico quantific\u00e1vel e process\u00e1vel pelo uso de um transdutor adequado que envia o sinal para o amplificador que detecta e ent\u00e3o processa os dados e produz uma resposta (ARYA, 2008).<\/p>\n

Figura 1. <\/strong>Representa\u00e7\u00e3o geral do funcionamento de um biossensor.<\/p>\n

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Fonte: Autores (2023).<\/figcaption><\/figure>\n

CONSTRU\u00c7\u00c3O DE BIOSSENSORES<\/h2>\n

Existem diferentes materiais de eletrodo que podem ser empregados na cria\u00e7\u00e3o de biossensores amperom\u00e9tricos, sendo que os materiais carbon\u00e1ceos t\u00eam sido amplamente adotados nessa \u00e1rea. Entre os materiais carbon\u00e1ceos mais comuns, \u00e9 poss\u00edvel destacar o carbono v\u00edtreo, o grafite pirol\u00edtico, a pasta de carbono e o grafite comp\u00f3sito. Adicionalmente, um dos principais campos de pesquisa relacionado a eletrodos enzim\u00e1ticos \u00e9 o uso de biossensores amperom\u00e9tricos modificados com mediadores. Esses mediadores s\u00e3o compostos redox com baixa massa molecular, tendo como fun\u00e7\u00e3o simplificar a transmiss\u00e3o de el\u00e9trons entre a enzima e o eletrodo. A incorpora\u00e7\u00e3o desses mediadores nos eletrodos pode ser realizada por meio de diferentes t\u00e9cnicas, tais como adsor\u00e7\u00e3o, oclus\u00e3o em filme polim\u00e9rico, liga\u00e7\u00e3o covalente ou mistura em pasta de carbono. (ROSATTO et al., 2001).<\/p>\n

Por muitos anos, um dos principais desafios na elabora\u00e7\u00e3o de biossensores amperom\u00e9tricos foi a velocidade de transfer\u00eancia eletr\u00f4nica do s\u00edtio ativo da enzima para a superf\u00edcie do eletrodo. A primeira gera\u00e7\u00e3o desses biossensores era baseada na eletroatividade do substrato ou do produto gerado pela rea\u00e7\u00e3o enzim\u00e1tica, mas acabava enfrentando problemas de interfer\u00eancia, j\u00e1 que exigia potenciais muito elevados. Na tentativa de diminuir estes potenciais, surgiram os biossensores de segunda gera\u00e7\u00e3o, onde o emprego de mediadores de el\u00e9trons tinha como fun\u00e7\u00e3o o transporte de el\u00e9trons entre a enzima e o eletrodo. Entretanto, esta configura\u00e7\u00e3o pode apresentar problemas de interfer\u00eancias, uma vez que pode ocorrer a transfer\u00eancia de el\u00e9trons provenientes de rea\u00e7\u00f5es redox paralelas, al\u00e9m das rea\u00e7\u00f5es entre a enzima e o substrato. Para solucionar essa quest\u00e3o, surgiu uma nova categoria de biossensores, denominada terceira gera\u00e7\u00e3o, que permite a transfer\u00eancia direta de el\u00e9trons entre a enzima e o eletrodo, sem o uso de mediadores. Essa caracter\u00edstica \u00e9 uma vantagem significativa, pois aumenta a seletividade e reduz a ocorr\u00eancia de rea\u00e7\u00f5es interferentes, operando em potenciais mais pr\u00f3ximos aos da pr\u00f3pria enzima. Adicionalmente, esses biossensores dispensam o uso de outros reagentes na sequ\u00eancia das rea\u00e7\u00f5es enzim\u00e1ticas. (PRIYANKI DAS et al., 2016) (Figura 2).<\/p>\n

Figura 2. <\/strong>Representa\u00e7\u00e3o esquem\u00e1tica para biossensor amperom\u00e9trico segundo o processo de transfer\u00eancia de cargas. a) 1\u00aa gera\u00e7\u00e3o; b) 2\u00aa gera\u00e7\u00e3o; c) 3\u00aa gera\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

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Fonte: Autores (2023).<\/figcaption><\/figure>\n

IMOBILIZA\u00c7\u00c3O DE ENZIMAS E APLICA\u00c7\u00d5ES DE BIOSSENSORES<\/h2>\n

A forma de imobiliza\u00e7\u00e3o de enzimas determina a durabilidade do sensor, a sensibilidade e o limite de detec\u00e7\u00e3o, enquanto a escolha da enzima afeta a seletividade de detec\u00e7\u00e3o e pode criar necessidades para etapas de processamento das amostras para an\u00e1lise de matrizes complexas (NEMIWAL et al., 2022).<\/p>\n

As enzimas podem ser imobilizadas sobre o transdutor ou matrizes suportes por m\u00e9todos f\u00edsicos e qu\u00edmicos. Os m\u00e9todos f\u00edsicos, como por oclus\u00e3o (aprisionamento), a adsor\u00e7\u00e3o (intera\u00e7\u00f5es do tipo i\u00f4nica, polar, liga\u00e7\u00e3o de hidrog\u00eanio) (Figura 3), e podem ser aplicados a muitas enzimas e as suas caracter\u00edsticas estruturais e funcionais sofrem poucas altera\u00e7\u00f5es. Os m\u00e9todos qu\u00edmicos como a liga\u00e7\u00e3o covalente e cruzada, por outro lado, proporcionam ao biossensor uma melhor estabilidade na opera\u00e7\u00e3o (PADDLE, 1996).<\/p>\n

Figura 3. <\/strong>T\u00e9cnicas de imobiliza\u00e7\u00e3o de enzimas.<\/p>\n

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Fonte: Autores (2023).<\/figcaption><\/figure>\n

A adsor\u00e7\u00e3o da enzima em um suporte s\u00f3lido \u00e9 a forma mais f\u00e1cil de execu\u00e7\u00e3o e o mais antigo protocolo de imobiliza\u00e7\u00e3o. Desta forma a enzima \u00e9 imobilizada num suporte s\u00f3lido por intera\u00e7\u00f5es de Van der Waals, liga\u00e7\u00f5es de hidrog\u00eanio ou i\u00f4nicas. A imobiliza\u00e7\u00e3o por aprisionamento ocorre atrav\u00e9s da oclus\u00e3o de uma enzima em uma rede polim\u00e9rica como um pol\u00edmero org\u00e2nico ou s\u00edlica sol-gel, consiste em \u201cconfinar\u201d uma prote\u00edna em um pol\u00edmero insol\u00favel ou em uma microc\u00e1psula. Neste sistema \u00e9 criada uma membrana seletiva que impede a difus\u00e3o das enzimas atrav\u00e9s da membrana polim\u00e9rica, enquanto mol\u00e9culas de baixa massa molar (substratos e produtos) difundem-se facilmente. A vantagem desta t\u00e9cnica \u00e9 que a enzima n\u00e3o interage quimicamente com o pol\u00edmero, evitando, assim, a desnatura\u00e7\u00e3o. Por\u00e9m, o m\u00e9todo possui como fator limitante a diminui\u00e7\u00e3o da velocidade de difus\u00e3o dos substratos e produtos atrav\u00e9s da membrana porosa (MATEO et al., 2007).<\/p>\n

A imobiliza\u00e7\u00e3o da enzima por liga\u00e7\u00e3o covalente ocorre entre os grupos funcionais n\u00e3o ativos da enzima (n\u00e3o essencial para sua atividade catal\u00edtica) e\/ou as mol\u00e9culas do suporte com reagentes funcionais (BHAVIK et al., 2020). O material suporte pode ter um efeito cr\u00edtico sobre a estabilidade e a efici\u00eancia da imobiliza\u00e7\u00e3o da enzima. Os materiais suporte devem ser insol\u00faveis em \u00e1gua, ter uma alta capacidade para ligar \u00e0 enzima, ser quimicamente inerte e mecanicamente est\u00e1vel. Alguns componentes qu\u00edmicos como:\u00a0 glutaralde\u00eddo, cisteamina, polietilenoimina (PEI), membrana de acrilamida (aprisionamento) e prote\u00edna A (presente na parede celular de cepas de Staphylococcus aureus<\/em>), tem sido utilizado em ensaios de imobiliza\u00e7\u00e3o de mol\u00e9culas biol\u00f3gicas em associa\u00e7\u00e3o ou isoladamente (ZDARTA, et al., 2018).<\/p>\n

O tempo de resposta do biossensor pode ser influenciado por diferentes fatores qu\u00edmicos e f\u00edsicos. Entre os qu\u00edmicos, podem-se destacar a concentra\u00e7\u00e3o do substrato, o pH da solu\u00e7\u00e3o e o n\u00famero de rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas necess\u00e1rias para a forma\u00e7\u00e3o do sinal el\u00e9trico e, consequentemente, da resposta. Entre os fatores f\u00edsicos, a temperatura de an\u00e1lise e a permeabilidade \u00e0 membrana, caso exista no sensor, podem influenciar o tempo de resposta do biossensor e suas aplica\u00e7\u00f5es (SHRIEF, 2020).<\/p>\n

O surgimento dos biossensores como uma tecnologia de diagn\u00f3stico para a ind\u00fastria de alimentos pode contribuir substancialmente para o controle de qualidade deles, e auxiliar os servi\u00e7os de inspe\u00e7\u00e3o no monitoramento dos produtos aliment\u00edcios com maior agilidade e confiabilidade dos resultados. A crescente demanda por biossensores em diversos setores tem motivado um grande interesse no seu desenvolvimento por profissionais de diversas \u00e1reas, tais como engenharia, qu\u00edmica, f\u00edsica e biologia.\u00a0 Apesar de todos esses atributos, ainda \u00e9 um campo de pesquisa relativamente novo e com grandes prospec\u00e7\u00f5es.<\/p>\n

As aplica\u00e7\u00f5es de biossensores s\u00e3o desenvolvidas majoritariamente para quest\u00f5es ambientais e monitoramento de bioprocessos no controle da qualidade de alimentos, agricultura, bioterrorismo e biossensores em sistemas m\u00e9dicos. Como no caso das ind\u00fastrias de alimentos e bebidas que requer m\u00e9todos anal\u00edticos confi\u00e1veis para a determina\u00e7\u00e3o de componentes espec\u00edficos, tais como os a\u00e7\u00facares, prote\u00ednas, vitaminas e gorduras, al\u00e9m da detec\u00e7\u00e3o e quantifica\u00e7\u00e3o de contaminantes qu\u00edmicos tais como pesticidas, metais pesados, antibi\u00f3ticos e microrganismos patog\u00eanicos (ALI et al., 2017).<\/p>\n

CONSIDERA\u00c7\u00d5ES FINAIS<\/h2>\n

V\u00e1rias pesquisas t\u00eam sido feitas a fim de descobrir novos m\u00e9todos de an\u00e1lises, especialmente como tentativa de substitui\u00e7\u00e3o das an\u00e1lises e monitoramento de componentes bioativos de interesse comercial, em aplica\u00e7\u00f5es que s\u00e3o quest\u00f5es de sa\u00fade p\u00fablica, atrav\u00e9s do monitoramento de doen\u00e7as cr\u00f4nicas, monitoramento da \u00e1gua destinada ao consumo, qualidade do ar dentre outros. Embora exista uma grande variedade de estudos sobre os biossensores ainda tem espa\u00e7o para novas descobertas. Assim, espera-se que o artigo subsidie o desenvolvimento de futuras pesquisas, a fim de contribuir na solu\u00e7\u00e3o dos diversos problemas nas diversas \u00e1reas de aplica\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

REFER\u00caNCIAS<\/h2>\n

AGUIAR, M. A. S., BERBIG\u00c3O, P. N., MORI, V. Determina\u00e7\u00e3o amperom\u00e9trica de iodeto em solu\u00e7\u00f5es expectorantes orais com an\u00e1lise por inje\u00e7\u00e3o em fluxo usando a rea\u00e7\u00e3o iodeto\/nitrito. Ecl\u00e9tica qu\u00edmica<\/strong>, v. 31(2), p. 63-68, 2006.<\/p>\n

ALI, J., NAJEEB, J., ALI, M.A, ASLAM, M.F, RAZA, A. Biosensors: Their Fundamentals, Designs, Types and Most Recent Impactful Applications: A Review. Journal of Biosensors & Bioelectronics<\/strong>, 8(1),1-9, 2017.<\/p>\n

ALTUG, H., OH, SH., MAIER, S.A. et al. Advances and applications of nanophotonic biosensors. Nat. Nanotechnol.<\/strong> v. 17, p. 5-16, 2022.<\/p>\n

ARYA, S. K., DATTA, M., MALHOTRA, B.D. Recent advances in cholesterol biosensor. Biosensors and Bioelectronics<\/strong>, v. 23, p. 1083-1100, 2008.<\/p>\n

BHAVIK A. PATEL, Chapter 12 – Electrochemical biosensors, Editor(s): Bhavik Patel, Electrochemistry for Bioanalysis, Elsevier, 2020, p. 267-284.<\/p>\n

CHO, I.H., KIM, D.H. & PARK, S. Electrochemical biosensors: perspective on functional nanomaterials for on-site analysis. Biomater Res<\/strong>. v. 24, n. 6, 2020.<\/p>\n

MATEO, C., PALOMO, J.\u00a0 M., FERNANDEZ-LORENTE, G., GUISAN, J.\u00a0 M., FERNANDEZ-LAFUENTE, R. Improvement of enzyme activity, stability and selectivity via immobilization techniques. Enzyme and Microbial Technology<\/strong>. v. 40, p. 1451-1463, 2007.<\/p>\n

NEMIWAL, M. et al. Enzyme immobilized nanomaterials as electrochemical biosensors for detection of biomolecules. Enzyme and microbial technology<\/strong>. v. 156, 2022.<\/p>\n

PADDLE, B. M. Biosensors for chemical and biological agents of defence interest. Biosensors and Bioelectronic<\/strong>, v. 2(11), p. 107- 113, 1996.<\/p>\n

PRIYANKI D.; MADHURI D.; SOMASEKHAR R. C.; IROM M. S.; PRANAB G. Recent advances on developing 3rd generation enzyme electrode for biosensor applications. Biosensors and Bioelectronics,<\/strong> v. 79, p. 386-397, 2016.<\/p>\n

ROSATTO, S. S., FREIRE, R. S., DUR\u00c1N, N., KUBOTA, L. T. Biossensores amperom\u00e9tricos para determina\u00e7\u00e3o de compostos fen\u00f3licos em amostras de interesse ambiental. Qu\u00edmica Nova<\/strong>, v. 24(1), p. 77-86, 2001.<\/p>\n

SHRIEF, E. Factors Affecting Enzyme Activity, 2020.<\/p>\n

ZDARTA, J., MEYER, A. S., JESIONOWSKI, T., & PINELO, M. A general overview of support materials for enzyme immobilization: Characteristics, properties, practical utility. Catalysts, <\/strong>v. 8(2), [92]., 2018.<\/p>\n

[1]<\/a><\/sup> Doutora em Biotecnologia pelo Programa de P\u00f3s-Gradua\u00e7\u00e3o em Biodiversidade e Biotecnologia da Amaz\u00f4nia Legal da Rede Bionorte. ORCID: https:\/\/orcid.org\/0000-0002-9693-657X.
\nLATTES: http:\/\/lattes.cnpq.br\/1785362621025680.<\/p>\n

[2]<\/a><\/sup> Doutorando em Biotecnologia pelo Programa de P\u00f3s-Gradua\u00e7\u00e3o em Biotecnologia da Universidade Federal do Par\u00e1. ORCID: https:\/\/orcid.org\/0000-0002-6583-4917.
\nLATTES: http:\/\/lattes.cnpq.br\/7294579708171412.<\/p>\n

[3]<\/a><\/sup> Mestrando em Geografia pelo Programa de P\u00f3s-Gradua\u00e7\u00e3o em Geografia da Universidade Federal do Par\u00e1. ORCID: https:\/\/orcid.org\/0000-0001-5040-4423.
\nLATTES: http:\/\/lattes.cnpq.br\/2438048151941608.<\/p>\n

[4]<\/a><\/sup> Doutor em Ci\u00eancias de Alimentos pela Universidade Cat\u00f3lica de Louvain (UCL) – B\u00e9lgica, Professor Associado da FEA\/ITEC\/UFPA \u2013 Brasil. ORCID: https:\/\/orcid.org\/0000-0002-0288-2321.
\nLATTES: http:\/\/lattes.cnpq.br\/3640438725903079.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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