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
Resumen El parásito intracelular Leishmania braziliensis es el agente causal de la leishmaniasis cutánea, enfermedad endémica de zonas tropicales, cuyos tratamientos farmacológicos son tóxicos y para la cual no se dispone de una vacuna en la actualidad. Por esta razón, el estudio de las proteínas relacionadas con el metabolismo energético del parásito es relevante dada su importancia para la supervivencia del mismo. En este estudio, utilizando como secuencia plantilla los primeros 18 residuos del extremo N-terminal de la proteína nicotinamida/ nicotinato mononucleótido adenilil transferasa de L. braziliensis (Lb-NMNAT), se sintetizaron péptidos implementando la estrategia Fmoc/ tert-Butilo en una resina Rink amida MBHA. Los péptidos se purificaron por cromatografía en columna C18 y se caracterizaron mediante RP-HPLC. La proteína recombinante 6xHisLb-NMNAT se expresó en células Escherichia coli M15 y se purificó parcialmente empleando cromatografía de afinidad a metales inmovilizados. De esta proteína se confirmó su actividad enzimática a través de ensayos enzimáticos directos analizados por RP-HPLC. Los péptidos sintetizados se utilizaron para evaluar su efecto sobre la actividad enzimática de la proteína 6xHisLb-NMNAT, observándose una modulación diferencial, lo cual resulta promisorio para el diseño de herramientas quimioterapéuticas basadas en la secuencia N-terminal de la proteína Lb-NMNAT.
Abstract The intracellular parasite Leishmania braziliensis is the etiological agent of cutaneous leishmaniasis, an endemic disease in the tropics, whose pharmacological treatments are toxic and for which there is currently no vaccine. For this reason, the study of proteins related to the energy metabolism of the parasite is relevant given its importance for its survival. In this study, based on the first 18 residues of the N-terminal end of the nicotinamide/nicotinate mononucleotide adenylyl transferase protein from L. braziliensis (Lb-NMNAT) as a template, peptides were synthesized implementing the Fmoc/tert-Butyl strategy in a Rink amide MBHA resin. The peptides were purified by C18 column chromatography and characterized by RP-HPLC. The recombinant 6xHisLb-NMNAT protein was expressed in Escherichia coli M15 cells and partially purified using immobilized metal affinity chromatography. The enzymatic activity of the protein was confirmed through direct enzymatic assays analyzed by RP-HPLC. The synthesized peptides were used to evaluate their effect on the enzymatic activity of the 6xHisLb-NMNAT protein, observing a differential modulation, which is promising for the design of chemotherapeutic tools based on the N-terminal sequence of the Lb-NMNAT protein.
Resumo O parasita intracelular Leishmania braziliensis é o agente causador da leishmaniose tegumentar, doença endêmica nos trópicos, cujos tratamentos farmacológicos são tóxicos e para a qual não existe vacina atualmente. Por este motivo, o estudo de proteínas relacionadas ao metabolismo energético do parasita é relevante dada a sua importância para a sua sobrevivência. Neste estudo, usando os primeiros 18 resíduos da extremidade N-terminal da proteína adenilil transferase de nicotinamida/mononucleotídeo nicotinato de L. braziliensis (Lb-NMNAT) como uma sequência modelo, os peptídeos foram sintetizados implementando a estratégia Fmoc/tert-Butil em uma resina Rink amida MBHA. Os peptídeos foram purificados por cromatografia em coluna C18 e caracterizados por RP-HPLC. A proteína recombinante 6xHisLb-NMNAT foi expressa em células de Escherichia coli M15 e parcialmente purificada usando cromatografia de afinidade com metal imobilizado. Desta proteína, sua atividade enzimática foi confirmada por meio de ensaios enzimáticos diretos analisados por RP-HPLC. Os peptídeos sintetizados foram utilizados para avaliar seu efeito na atividade enzimática da proteína 6xHisLb-NMNAT, observando uma modulação diferencial, o que é promissor para o projeto de ferramentas quimioterápicas baseadas na sequência N-terminal da proteína Lb-NMNAT