Nanozymes+/Driving Nanozymes towards stereochemical recognition: application in biomolecules of Interests In health

Abstract

A reliable and affordable analytical platform is critical for clinical diagnosis. The electrochemical transduction mechanism in biosensors offers high selectivity, low limit of detection and easy miniaturisation. The present work aims to develop an electrochemical biosensor while explor-ing alternatives to natural bioreceptors and implementing low-cost and versatile nano-material production. The symbiosis of biosensor technology and nanomaterials improves selectivity and sensibility of the devices. In this dissertation, four electrochemical biosensors were developed using two different biore-cognition elements. Enzymes are used in many biotechnological approaches due to their ex-cellent catalytic features and their ability to recognize a target compound within a complex matrix. Due to their high cost and limited stability, researchers have created artificial catalytic systems to replace natural enzymes. However, these systems employ nanostructured materials that can catalyse a reaction but lack the necessary stereochemical recognition ability. The catalytic materials are combined with molecularly imprinted polymers (MIP), driving these artificially catalysed reactions into a spatial recognition event. A fundamental system that uses enzymes is the glucose meter, the first line of glucose control among diabetic patients. Thus, an innovative novel glucose enzyme-free biosensor is developed as a proof-of-concept by merging nanomaterials and MIPs in a single platform. The MIP technology offered selectivity to detect and quantify the glucose with dual detection, using electrochemical and optical sys-tems. In parallel, considering the current pandemic, the technical approach was used to detect hu-man antibodies against severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). The potential for quantification of complex samples through electrochemical impedance spectros-copy has been successfully demonstrated in a real context, detecting concentrations down to pg/mL. The biosensing principles discussed herein open the way for the development of robust analytical devices that do not rely on natural bioreceptors and have the potential for use in point-of-care (POC).

O desenvolvimento de plataformas analíticas precisas e fiáveis são fundamentais para o diagnóstico clínico. O mecanismo de transdução eletroquímica nos biossensores oferece maior se-letividade, menor limite de deteção e fácil miniaturização. Este trabalho visa desenvolver um biossensor eletroquímico, explorando alternativas aos biorrecetores naturais e implementando uma produção versátil com a utilização de nanomateriais de baixo custo. A simbiose entre os biossensores e os nanomateriais melhora a seletividade e a sensibilidade dos dispositivos. Nesta dissertação foram desenvolvidos quatro biossensores eletroquímicos com dois elemen-tos de bioreconhecimento diferentes. As enzimas estão envolvidas em muitas abordagens biotecnológicas devido às suas excelentes características catalíticas e capacidade de reconhecer um composto alvo dentro de uma matriz complexa. Devido ao seu elevado custo e estabilidade limitada, os investigadores criaram sistemas catalíticos artificiais para substituir enzimas naturais. No entanto, estes sistemas empregam materiais com diferentes nanoestruturas capazes de catalisar uma reação, mas não possuem a capacidade de reconhecimento estereoquímico. A combinação dos materiais catalíticos com os polímeros de impressão molecular (PIM), direciona essas reações catalisadas artificialmente para um reconhecimento espacial. Um exemlo de um sistema fundamental é o medidor de glucose, primeira linha de controlo da glucose entre pacientes diabéticos. Assim, um novo biossensor sem utilizar enzimas naturais para a glucose é desenvolvido como prova de conceito através da combinação de nanomateriais e PIMs numa única plataforma. A tecnologia PIM confere seletividade para detetar e quantificar a glucose com uma dupla deteção, eletroquímica e ótica. Paralelamente, considerando a atual pandemia, os biossensores eletroquímicos foram usados para detetar anticorpos humanos contra SARS-CoV-2. A potencial quantificação de amostras complexas através de espectroscopia de impedância eletroquímica foi demonstrada com sucesso em contexto real., detetando concentrações abaixo de pg/mL. Os princípios dos biossensores discutidos abrem caminho para a criação de dispositivos analíticos robustos que não dependem de biorrecetores naturais e têm um grande potencial em contexto clínico.