ABSTRACT
BACKGROUND: Biosensing techniques have been the subject of exponentially increasing interest due to their performance advantages such as high selectivity and sensitivity, easy operation, low cost, short analysis time, simple sample preparation, and real-time detection. Biosensors have been developed by integrating the unique specificity of biological reactions and the high sensitivity of physical sensors. Therefore, there has been a broad scope of applications for biosensing techniques, and nowadays, they are ubiquitous in different areas of environmental, healthcare, and food safety. Biosensors have been used for environmental studies, detecting and quantifying pollutants in water, air, and soil. Biosensors also showed great potential for developing analytical tools with countless applications in diagnosing, preventing, and treating diseases, mainly by detecting biomarkers. Biosensors as a medical device can identify nucleic acids, proteins, peptides, metabolites, etc.; these analytes may be biomarkers associated with the disease status. Bacterial food contamination is considered a worldwide public health issue; biosensor-based analytical techniques can identify the presence or absence of pathogenic agents in food. OBJECTIVES: The present review aims to establish state-of-the-art, comprising the recent advances in the use of nucleic acid-based biosensors and their novel application for the detection of nucleic acids. Emphasis will be given to the performance characteristics, advantages, and challenges. Additionally, food safety applications of nucleic acid-based biosensors will be discussed. METHODS: Recent research articles related to nucleic acid-based biosensors, biosensors for detecting nucleic acids, biosensors and food safety, and biosensors in environmental monitoring were reviewed. Also, biosensing platforms associated with the clinical diagnosis and food industry were included. RESULTS: It is possible to appreciate that multiple applications of nucleic acid-based biosensors have been reported in the diagnosis, prevention, and treatment of diseases, as well as to identify foodborne pathogenic bacteria. The use of PNA and aptamers opens the possibility of developing new biometric tools with better analytical properties. CONCLUSIONS: Biosensors could be considered the most important tool for preventing, treating, and monitoring diseases that significantly impact human health. The aptamers have advantages as biorecognition elements due to the structural conformation, hybridization capacity, robustness, stability, and lower costs. It is necessary to implement biosensors in situ to identify analytes with high selectivity and lower detection limits
ANTECEDENTES: Las técnicas de biodetección han sido objeto de un interés cada vez mayor debido a ventajas, tales como alta selectividad y sensibilidad, facilidad de manejo, bajo costo, tiempo de análisis corto, preparación sencilla de muestras y detección en tiempo real. Los biosensores se han desarrollado integrando la especificidad única de las reacciones biológicas y la alta sensibilidad de los sensores físicos. Por lo tanto, las técnicas de biodetección han tenido un amplio campo de aplicación y hoy en día son omnipresentes en diferentes áreas del medio ambiente, la salud y la seguridad alimentaria. Se han utilizado biosensores para estudios ambientales, detectando y cuantificando contaminantes en el agua, el aire y el suelo. Los biosensores también mostraron un gran potencial para desarrollar herramientas analíticas con innumerables aplicaciones en el diagnóstico, prevención y tratamiento de enfermedades, principalmente mediante la detección de biomarcadores. Los biosensores como dispositivo médico pueden utilizarse para identificar ácidos nucleicos, proteínas, péptidos, metabolitos, etc. Estos analitos pueden ser biomarcadores asociados al estado de la enfermedad. La contaminación bacteriana de los alimentos se considera un problema de salud pública mundial; se pueden utilizar técnicas analíticas basadas en biosensores para determinar la presencia o ausencia de agentes patógenos en los alimentos. OBJETIVOS: La presente revisión tiene por objeto establecer los últimos adelantos en la utilización de biosensores basados en ácidos nucleicos y su novedosa aplicación para la detección de ácidos nucleicos. Se hará hincapié en las características del desempeño, las ventajas y los desafíos. Además, se examinarán las aplicaciones de los biosensores basados en ácidos nucleicos para la inocuidad de los alimentos. MÉTODOS: Se examinaron artículos de investigación recientes relacionados con los biosensores a base de ácidos nucleicos, los biosensores para la detección de ácidos nucleicos, los biosensores y la inocuidad de los alimentos, y los biosensores para la vigilancia del medio ambiente. También se incluyeron plataformas de biosensores asociadas al diagnóstico clínico y a la industria alimentaria. RESULTADOS: Es posible apreciar que se han reportado múltiples aplicaciones de biosensores basados en ácido nucleico para el diagnóstico, prevención y tratamiento de enfermedades, así como para identificar bacterias patógenas transmitidas por los alimentos. El uso de PNA y aptámeros abre la posibilidad de desarrollar nuevas herramientas biométricas con mejores propiedades analíticas. CONCLUSIONES: Los biosensores pueden ser considerados como los instrumentos más importantes para la prevención, el tratamiento y la vigilancia de las enfermedades que tienen un impacto significativo en la salud humana. Los aptámeros tienen ventajas como elemento de biorreconocimiento debido a la conformación estructural, capacidad de hibridación, robustez, estabilidad y menores costos. Es necesario implementar biosensores in situ para identificar analitos con alta selectividad y menores límites de detección
Subject(s)
Humans , Biosensing Techniques , Nucleic Acids , Biomarkers , Diagnosis , NoxaeABSTRACT
Abstract Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) is an essential biomolecule that participates in the redox homeostasis and synthesis of signaling compounds. NAD kinase (NADK) (EC 2.7.1.23 / 2.7.1.86) is the only enzyme capable of synthesizing NADP. This study offers an approach to the NADP metabolism in the parasite Giardia intestinalis, the etiological agent of giardiasis, a disease of high prevalence in America, Asia and Africa. Through bioinformatics tools a NADK enzyme candidate was identified, whose tertiary structure modeling demonstrated distinctive and universal motifs of characterized NADKs. The corresponding recombinant protein (His-GINADK) was expressed in Escherichia coli BL21 (DE3) and its partial purification was achieved by nickel affinity chromatography. Functional identification, which showed NADP synthesis, was completed through enzymatic assays evaluated by RP-HPLC. A cytosolic localization of the endogenous GINADK enzyme was observed in trophozoites throughout indirect immunofluorescence analysis, using polyclonal antibodies produced in mice by its immunization with the His-GINADK protein, purified from inclusion bodies. Taken together, our results contribute to the understanding of the NADP metabolism and the physiological role of NADK in the Giardia model.
Resumen El dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato (NADP) es una biomolécula esencial que participa en la homeostasis redox y en la síntesis de compuestos de señalización. La única enzima capaz de sintetizar NADP es la NAD Quinasa (NADK, EC 2.7.1.23 / 2.7.1.86). En este estudio se presenta un acercamiento al metabolismo del NADP en el parásito Giardia intestinalis, agente etiológico de la giardiasis, una enfermedad de alta prevalencia en América, África y Asia. Mediante herramientas bioinformáticas se identificó un candidato a NADK, cuya predicción a nivel de estructura terciaria mostró motivos característicos y universales de NADKs previamente caracterizadas. La proteína recombinante correspondiente (His-GINADK) se expresó en Escherichia coli BL21 (DE3) y se purificó parcialmente mediante cromatografía de afinidad a níquel. La síntesis de NADP por parte de la proteína His-GINADK se comprobó mediante ensayos enzimáticos evaluados por RP-HPLC. Adicionalmente, se determinó una localización subcelular citosólica en trofozoítos del parásito, empleando inmunofluorescencia indirecta y anticuerpos policlonales producidos en modelos murinos inmunizados con la proteína His-GINADK purificada a partir de cuerpos de inclusión. Los resultados obtenidos representan un avance en el entendimiento del metabolismo del NADP y de la importancia fisiológica de la NADK en el modelo de Giardia.
Resumo A nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP) é uma biomolécula essencial que participa na homeostase redox e na síntese de importantes compostos de sinalização. A NAD quinase (NADK) (EC 2.7.1.23 / 2.7.1.86) é a única enzima capaz de sintetizar o NADP. Este estudo apresenta uma abordagem do metabolismo do NADP no parasita Giardia intestinalis que causa giardíase, uma doença de alta prevalência na América, Ásia e África. Através de ferramentas de bioinformática, um candidato a enzima NADK foi identificado no parasita, cuja modelagem de estrutura terciária, demonstra motivos distintos e universais de NADKs caracterizadas. A correspondente proteína recombinante (His-GINADK) foi expressa em Escherichia coli BL21 (DE3) e a sua purificação parcial foi conseguida por cromatografia de afinidade com níquel. A identificação funcional, que mostrou a síntese de NADP, foi completada através de ensaios enzimáticos avaliados por RP-HPLC. Uma localização citosólica da enzima GINADK endógena foi observada em trofozoítos ao longo da análise de imunofluorescência indireta, utilizando anticorpos policlonais produzidos em camundongos, imunizados com a proteína His-GINADK purificada de corpos de inclusão. Em conjunto, nossos resultados contribuem para a compreensão do metabolismo do NADP e da importância fisiológica do NADK no modelo de Giardia.