Использование микроорганизмов и тканей живых организмов в качестве биосенсоров

Использование живых организмов в качестве биосенсоров позволяет судить о присутствии какого-либо вещества или его количественном содержании по характеру и величине его воздействия на определенный организм, взятый как индикаторный. Показателем при этом является изменение состояния жизнедеятельности данного живого организма, то есть его реакция на раздражитель, которым, например, могут быть токсиканты среды обитания или какие-либо другие биологически активные соединения, вызывающие нарушение жизненных функций индикаторного организма или его гибель.

Применение микроорганизмов и биологических тканей различного происхождения более предпочтительно для биосенсоров, поскольку в данном случае отпадает необходимость в предварительном получении и очистке ферментов.

Недостатками биосенсоров из микроорганизмов являются:

- низкая селективность определения вследствие того, что клетки живых организмов являются источником самых разнообразных ферментов;

- время отклика биосенсоров на основе тканей и микроорганизмов может быть достаточно большим, что также уменьшает их практическую ценность.

Не смотря на это, наблюдается повышенный интерес ученых к разработке конструкций электродов, содержащих не сами ферменты в очищенном виде, а их первозданные источники – биологические организмы.

Пример биосенсорного устройства на основе микроорганизмов – клетки дрожжей, помещенные между двумя пористыми мембранами. Биосенсор на основе иммобилизованных дрожжей и кислородного электрода позволяет определять этанол и метанол, например в промышленных стоках.

Интерес представляют биосенсоры на основе микроорганизмов иммобилизованных на мембране, служащих элементом, так называемого, микробного сенсора. Пример таких устройств – амперометрический сенсор на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий и кислородного электрода. Такой биосенсор применим в процессе контроля степени очистки промышленных стоков.

Было установлено, что тканевые срезы растений в биосенсорах могут выполнять функцию источников каталитической активности. Например, создан биосенсор на аскорбиновую кислоту, состоящий из платинового электрода и пластины кожуры огурца или тыквы, служащей источником аскорбиноксидазы. Активность фермента в такой природной матрице достаточна для проведения 50-80 определений аскорбиновой кислоты в различных объектах. Установлено, что пластины биоматериала могут храниться без потери активности в течение года в 50%-ном глицерине.

Известны биосенсоры, в которых использован цельный фрагмент ткани печени быка, являющийся носителем фермента каталазы и иммобилизованный на кислородном электроде. Ферментативное действие каталазы, проявляющееся в катализе реакции разложения пероксида водорода, используют в этом случае для создания соответствующего электрода.

Разработан биосенсор на основе кожуры кабачка или огурца и кислородного электрода для определения L-аскорбиновой кислоты во фруктовых соках, функционирующий подобно аналогичному типу электрода, уже рассмотренного выше.

Применение биосенсоров

Биосенсоры применимы в процессах контроля содержания ксенобиотиков в природных и искусственных водоемах, почве, живых организмах; при диагностике заболеваний человека и животных, а также физиологического состояния живых организмов; в процессах микробиологического производства различных веществ и т.д.

Самым распространенным в настоящее время является амперометрический биосенсор на основе иммобилизованной глюкозоксидазы для определения сахара в крови. Исторически этот биосенсор является самым "древним". В настоящее время для определения глюкозы создано наибольшее число различных биосенсоров, что связано с необходимостью контроля содержания сахара в биологических жидкостях, например в крови, при диагностировании и лечении некоторых заболеваний, прежде всего диабета.

С помощью биосенсоров можно решить и обратную задачу: при некоторой определенной концентрации субстрата оценивать активность фермента по величине измеряемого сигнала (потенциала, тока и т. д.). Из описания работы фермента следует, что измеряемый сигнал зависит не только от концентрации субстрата, но и от каталитической активности биологического преобразователя, то есть фермента. Такое использование биосенсоров позволяет измерить активность большого числа ферментов, например в крови. Оценка активности ферментов, связанных с сердечной деятельностью, таких, как аспартамаминотрансфераза, креатинкиназа, позволяет в клинических условиях оценивать глубину инфаркта миокарда. Измерения активности фермента амилазы используются в педиатрии.

Биосенсор in vivo – датчик зондового типа, который вводится, либо прикрепляется к телу для непрерывного определения (без добавления реагентов) концентрации веществ, представляющих интерес для выявления патологии или терапии.