„Man, dirbančiai biochemijos srityje, kartais yra labai sunku suvokti, kad mumyse nėra nieko stabilaus, o esame tarsi visata, kurioje ištisai juda elektronų srautas. Jeigu imsime nagrinėti ląstelę kaip gyvo organizmo sudedamąją dalį, matysime, kad kiekviena ląstelė yra unikali, tarsi mažasis kosmosas, o jos membrana nėra kieta ir joje nuolat vyksta cheminės reakcijos. Mūsų mokslinė grupė konkrečios biocheminės reakcijos pavyzdžiu fiksuoja tokį nuolat judantį elektronų srautą ir daro išvadas apie tiriamus organizmo parametrus. Tyrinėti tokias modelines ar realias biochemines reakcijas mums pavyksta panaudojus pačių sukurtus biojutiklius“, – pasakoja Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centro Biochemijos instituto vyriausioji mokslo darbuotoja dr. Julija Razumienė.
VU mokslininkai kuria elektrocheminius biojutiklius
Biojutikliai yra analitinės priemonės, kuriose esantis atpažinimo elementas suteikia analizei ypatingą selektyvumą. Šį selektyvumą lemia biologinis komponentas, esantis biojutiklyje, kuris atpažįsta taikinį.
„Šis biologinis komponentas gali būti fermentas, ląstelė, oligomeras ar kt. Atpažindamas taikinį jis įvykdo cheminę reakciją, kurios metu yra išskiriama energija. Ta energija gali būti išreiškiama spalvos pokyčiu, šilumos išskyrimu ar, kaip mūsų atveju, elektros srautu. Šį pokytį mes galime fiksuoti įvairiais prietaisais. Vienas tokių yra biojutiklis“, – aiškina mokslininkė.
Biojutikliai būna įvairūs: potenciometriniai, kulonometriniai, kolorimetriniai ar amperometriniai – pagal tai, kokį energijos pokytį registruosime. Dr. J. Razumienė daugiausia gilinasi į elektrocheminių biojutiklių subtilybes.
„Mūsų grupės kuriamuose elektrocheminiuose biojutikliuose atpažinimo elementas yra fermentas, o cheminės reakcijos metu mes fiksuojame elektros srovę“, – pasakoja dr. J. Razumienė.
VU mokslininkai kuria ir tobulina įvairius biojutiklius karbamidui, gliukozei, glutamatui ir kitoms amino rūgštims bei katalaziniam aktyvumui šlapime vertinti. Prioritetinis dėmesys skiriamas siekiant sukurti ir naudoti neinvazinius tyrimo metodus.
„Šiandien dar daugelis organizmo parametrų nustatinėjami naudojant nemalonius pojūčius sukeliantį invazinį būdą – kraujo tyrimus. Tuo tarpu šlapimo tyrimas ne tik yra neinvazinis, bet jame pirmiausia matomi organizmo pokyčiai. Naudodami šį tyrimo metodą susiduriame ir su esminiu iššūkiu – šlapime yra labai daug įvairių medžiagų, tad selektyvią analizę įvykdyti labai sunku. Nepaisant to, ši terpė labai perspektyvi ateities individualizuotoje medicinoje“, – paaiškina tyrėja.
Biojutikliai – maži, portatyvūs ir greitai generuoja rezultatus
Dr. J. Razumienė juokauja, kad kiekvienas gyvas organizmas yra tarsi vaikštantis bioreaktorius, kuriame vienu metu vyksta tūkstančiai reakcijų ir energetinių pokyčių. Todėl belieka tik atidžiai stebėti šias reakcijas, o gautus duomenis išmaniai panaudoti kuriant prietaisus. Vienas tokių pavyzdžių gali būti bene dažniausiai aptinkamas biojutiklis, skirtas cukriniu diabetu sergantiems žmonėms.
„Cukrinio diabeto atveju kraujyje yra per daug gliukozės. Yra žinoma, kad organizmuose fermentas, vadinamas gliukozės oksidaze, gliukozę verčia gliukono laktonu. Sugebėdami šį fermentą išlaikyti aktyvų perkeldami ant registravimo sistemos, mes galime tą reakciją valdyti. Šiuo atveju beveik visi diabetui naudojami matavimo prietaisai yra pagrįsti fermento gliukozės oksidazės imobilizavimu ant elektrodo paviršiaus. Tad kai šis ant elektrodo imobilizuotas fermentas kraujyje pastebi gliukozę, įvyksta cheminė reakcija, kurios metu generuojama elektros srovė, o šią srovę greitai registruoja prietaisas“, – patikslina mokslininkė.
Šiandien klinikose turime labai tikslių matavimo prietaisų, tik jie yra brangūs, dideli ir reikalauja papildomų žmogiškųjų ir laiko išteklių. Reikia surinkti mėginius, nešti juos į laboratoriją ir tuomet jau laukti atsakymo, tad neretai pasitaiko painiavos ir pavėluotų rezultatų.
„Neretu atveju rezultatų reikia čia ir dabar: ypač prognozuojant ligos eigą arba, pavyzdžiui, kilus uždegimo grėsmei būtina staigiai nuspręsti, ar reikia ir kokią antibiotikų koncentraciją naudoti, kad neperdozuotume. Tad mano minėti biojutikliai šiais atvejais itin naudingi, nes yra nedidelių gabaritų, portatyvūs ir pateikia rezultatus greitai. Nedidelė analizės kaina, greitis ir selektyvumas yra didžiausi biojutiklių privalumai“, – teigia dr. J. Razumienė.
Dr. Julija Razumienė
Tikslas – surasti ne skirtingus biožymenis, o jų derinius
Biojutiklių kūrimo srityje iššūkių išties nemažai, nes biocheminę reakciją perkelti ant elektrodo nėra taip paprasta. Dr. J. Razumienės skyrius dirba naujų elektrodinių medžiagų paieškos srityje ir ieško būdų, kaip elektrai nelaidžias struktūras paversti laidžiomis, bet taip, kad jas panaudojus biojutikliuose nevyktų fermentų inaktyvacija. Pagrindiniai mokslininkų iššūkiai yra atrasti selektyvų taikinio atpažinimo komponentą, jį imobilizuoti stabiliam veikimui, surasti pakankamai jautrią elektrodinę medžiagą ir turėti jautrią daugkartinę registravimo sistemą.
„Fermentas turi savybę inaktyvuotis, tad turime jam sukurti palankias sąlygas. Be to, turime parinkti elektrochemiškai jautrų paviršių, kuris leistų vykti reakcijai ir galėtume fiksuoti elektros srovę. Pastebėjome, kad fermentą racionaliausia imobilizuoti lengvai pakeičiamose membranose, kurios vėliau mechaniškai uždedamos ant elektrodo paviršiaus, taip suformuojant biojutiklį. Turime labai atsargiai rinktis medžiagas, kad išlaikytume pakankamą sistemos jautrumą ir nepakenktume registruojamam atsakui“, – technines kliūtis įvardija mokslininkė.
Gyvuose organizmuose reakcijų vyksta labai daug ir sudėtingų. Ne mažesnis iššūkis yra gamtoje surasti tinkamą biokomponentą, kuris atspindėtų mūsų norimą surasti taikinį.
„Dažnai gydytojai tikisi, kad pavyks surasti tikslius įvairių ligų biožymenis, kurie reikš būtent šią ligą ir leis tiksliai prognozuoti jos eigą. Viskas yra daug sudėtingiau ir šiandien turime tik keletą tokių biožymenų: gliukozę, kuri parodo diabetą, vienas iš žymenų parodo širdies sutrikimus, turime ir kelis vėžio žymenis“, – sako dr. J. Razumienė.
Mokslininkės išvardyti tikslūs biožymenys apima tik labai mažą dalį ligų. Didžioji dalis ligų, deja, negali būti charakterizuotos keliais klinikiniais ar biocheminiais parametrais, nes jos dar nėra iki galo ištirtos. Tokiu atveju, turint visą seriją biojutiklių, būtų galima nustatyti įvairius metabolitus, jų koncentracijų kitimą laike ir daryti išvadas, fiksuojant ne vieną biožymenį, o jų derinius.
„Turėdami tokius derinius galėtume daug tiksliau spręsti apie ligos eigą, jos sudėtingumą ar gydymo efektyvumą, nes dažniausiai tie patys pavieniai žymenys netiesiogiai gali nurodyti kelis sutrikimus, tokius kaip pankreatitas, inkstų sutrikimai ar uždegimas“, – teigia tyrėja.
Biojutikliai padėtų sumažinti žuvų patiriamą stresą tvenkiniuose
Vienas iš VU mokslininkų sukurtų biojutiklių gali būti naudojamas chemijos pramonėje, nustatant labai tikslią karbamido (vienos iš mineralinių trąšų sudedamųjų dalių) koncentraciją. Prietaisas leidžia matuoti tiek nuotekas, tiek koncentraciją pačiame reaktoriuje, kur sintetinamos medžiagos.
Komentarų nėra. Būk pirmas!