Intensywny rozwój nauki i technologii przyczynia się nie tylko do przedłużenia życia i poprawiania jego poziomu, ale jednocześnie stanowi źródło nowych zagrożeń. Jednym z nich jest wzrost gęstości zaludnienia oraz gwałtowne przyspieszenie przemieszczania się ludzi z kontynentu na kontynent. W konsekwencji prowadzi to do radykalnego wzrostu zagrożenia epidemiologicznego. Lokalne infekcje mogą i są rozprzestrzeniane błyskawicznie po całym świecie. Z kolei liczne związki, wytwarzane jako produkty uboczne procesów technologicznych, mają negatywny wpływ na nasze środowisko.
Rozwój medycyny, nastawiony na promocję zdrowia, przyczynia się do tego, że coraz więcej ludzi zaczyna dbać o zdrowy styl życia i prawidłowe odżywianie się. Naszą codzienną dietę staramy się wzbogacać o produkty zawierające mniej tłuszczów i cukrów. Zgodnie z tym co zwykło się mówić „w zdrowym ciele, zdrowy duch”, chętniej też uprawiamy różnego rodzaju sporty. Osoby odżywiające się zdrowo i uprawiające jakiś sport znacznie rzadziej chorują na choroby cywilizacyjne. Ale czy w dobie wzmożonej walki o jakość żywności, jej smak, wiemy skąd dany produkt pochodzi i kto go wyprodukował? Nie do końca. Nawet osoby, które świadomie wybierają podobno zdrowe produkty, dobrej jakości, nie mają całkowitej pewności. Nazwa, reklama lub informacja od producenta o danym produkcie nie zawsze jest zgodna z prawdą. Wielu producentów żywności fałszuje swoje wyroby. Wynika to z chęci zysku poprzez obniżenie kosztów produkcji, zwiększenie konkurencyjności cenowej produktu, a także ukrycie faktycznego pochodzenia produktu. Żywność zafałszowana jest mniej wartościowa pod względem składu chemicznego, biologicznego oraz pod względem właściwości odżywczych. A okazuje się że produkty które kupujemy praktycznie codziennie: chleb, masło, sery, wędliny i mięso, fałszowane są najczęściej.
Tradycyjne metody (klasyczne i instrumentalne), stosowane w analizie żywności oraz do oceny stanu środowiska, są zwykle trudne, pracochłonne i kosztowne. Dlatego też opracowywanie nowych systemów analitycznych, umożliwiających zintegrowaną analizę prób, jest jak najbardziej aktualnym wyzwaniem.
Do oceny stanu środowiska naturalnego, bioindykacja wykorzystuje organizmy wskaźnikowe, określane mianem bioindykatorów. Ich obecność lub brak, bądź specyficzna i szybka reakcja, wskazują na działanie określonego czynnika środowiskowego, w tym różnego rodzaju zanieczyszczeń. Zalicza się do nich zarówno pojedyncze osobniki jak i populacje, fitocenozy, zoocenozy, biocenozy, ekosystemy i struktury krajobrazowe. Bioindykacja wprowadza też nowsze narzędzia, na wyższych poziomach organizacji systemu biologicznego, np. biomarkery. Bardzo obiecujący kierunek badawczy w tym obszarze jest związany również z elektrochemicznymi czujnikami, które łączą precyzję klasycznych metod analizy z szerokim wachlarzem rozwiązań konstrukcyjnych.
Zaletami elektrochemicznych czujników są wysoka czułość i selektywność, znikoma podatność na zakłócenia i miniaturowe rozmiary. Pomiar za pomocą czujnika elektrochemicznego najczęściej nie wymaga pracochłonnego przygotowania próbki. Poza tym czujnik taki może być stosowany zwykle przez kilka tygodni, a nawet miesięcy, wykonując w tym czasie setki pomiarów, co sprawia, że koszt analizy jest bardzo mały. Dzięki tym cechom, czujniki chemiczne mogą zastąpić konwencjonalne metody analizy.
Według definicji rekomendowanej przez IUPAC, czujnik chemiczny (International Union of Pure and Applied Chemistry) (Thévenot i in., 1999) jest urządzeniem, które przekształca informację chemiczną na analitycznie użyteczny sygnał. Składa się on z chemicznie aktywnej części receptorowej, oraz elementu przetwornikowego. Przetwornik zamienia chemiczny sygnał rozpoznania międzycząsteczkowego na analitycznie użyteczny sygnał. Podstawę działania czujników chemicznych stanowią oddziaływania międzycząsteczkowe zachodzące na granicy dwóch faz: warstwa analitycznie aktywna/roztwór badany. Większość reakcji biologicznych, zachodzących w żywych organizmach i biorących udział w wielu procesach życiowych, również zachodzi na granicy dwóch faz: stałej (błona komórkowa) i wodnej (płyny ustrojowe). Wysoka czułość i selektywność tych procesów zainspirowały naukowców do zaprojektowania nowych czujników, w których elementem rozpoznania jest materiał biologiczny (enzymy, przeciwciała, receptory, nici DNA, białka), czyli bioczujników (biosensorów). W starszego typu bioczujnikach, w części biologicznej używa się całych tkanek. W nowszych zastosowaniach dąży się do uzyskania jak najmniejszej części biologicznej, stosując pojedyncze biocząsteczki.
W naszym laboratorium opracowywane są dwa typy elektrochemicznych bioczujników: bioczujniki pracujące w oparciu o mechanizm jonokanałowy oraz bioczujniki oparte o redoks-aktywne monowarstwy, unieruchamiane na powierzchni elektrod. Bioczujniki oparte o mechanizm jonokanałowy działają na podobieństwo kanałów jonowych, znajdujących się w błonach komórkowych. Natomiast bioczujniki oparte o redoks-aktywne warstwy zawierają w swej strukturze centra redoks, odpowiedzialne za przekształcanie sygnału generowanego przez proces rozpoznania międzymolekularnego na sygnał analityczny. Rolę takich centrów pełnią najczęściej kompleksy metali przejściowych. Centra redoks stanowią również złączkę molekularną umożliwiającą właściwe unieruchomienie receptorów (białek, fragmentów wirusów, nici DNA) na powierzchni elektrody. Jest to kluczowy parametr decydujący o czułości i selektywności tego typu czujników.
Połączenie elementów biologicznych i elektronicznych pozwala na precyzyjne wykrycie nie tylko małych ilości związków chemicznych, ale także niebezpiecznych mikroorganizmów czy toksyn. Opracowane i scharakteryzowane w naszym laboratorium redoks-aktywne warstwy mogą w przyszłości zostać wykorzystane do konstrukcji selektywnych, łatwych w użyciu i tanich elektrochemicznych bioczujników przeznaczonych do kontroli jakości żywności, oraz identyfikacji toksycznych zanieczyszczeń zagrażających naszemu środowisku.
Magdalena Zborowska
Instytut Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności PAN Oddział Nauki o Żywności
Pracownia Bioelektroanalizy
(doktorantka I roku)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz