Novel electrochemical tools and methods for selective simultaneous analysis of biomolecules and study of cellular processes

Selektiv och samtidig detektion av biomolekyler i komplexa blandningar är av stort intresse för forskare. Dessa biomolekyler inkluderar syre, glukos, insulin, kväveoxid, glutamat, signalsubstanser, hormoner och biomarkörer. Eftersom dessa föreningar har centrala roller i biologiska processer, såsom överföring av neuronala signaler, cellulär metabolism, cell funktioner, cell kommunikation, är detektion av dessa oerhört viktigt för forskning och förståelse av den här typen av biologiska processer. Elektrokemiska analysmetoder såsom voltammetri och amperometri har framgångsrikt tillämpas för samtidig detektion av biomolekyler på grund av deras känslighet, snabbhet och möjlighet till miniatyrisering. Numera används elektrokemiska metoder med elektroder i mikro och nano storlekar. Miniatyrisering av elektroder kommer att öppna upp för nya möjligheter inom elektrokemiskt bioanalys, eftersom det möjligör undersökning av utsöndring av biomolekyler från levande celler (exocytos) och studier intra-och extracellulära processer. I detta projekt föreslår jag att utveckling och tillämpning nya elektroanalytiska verktyg för samtidig mätning av flera biomolekyler och för övervakning av grundläggande cellulära processer som exocytos. Projektet består av två åtskilda delar. Del I omfattar design och tillverkning av olika uppsättningar av individuellt adresserbara kemiskt modifierade microelektroder. Två typer av mikroelektrod uppsättningar (MEU), ?on top?, och ?on chip?, skall utvecklas. Nu tillverkningsteknik skall utnyttjas för att skapa dessa. Mikroelektroderna i båda typerna av uppsättningar kommer att ligga endast några mikrometer från varandra och kommer att ha individuella el-anslutningar. Det blir alltså möjligt att ta upp signalen från varje individuell mikroelektrod. Detta är en unik egenskap hos den föreslagna MEU:t, eftersom de flesta av dom ny existerande endast ger en sammansatt signal från hela elektrodytan. Varje elektrod i denna MEU kommer att vara kemiskt modifierad med enzymer och / eller electrokatalysatorer för att öka selektiviteten vid samtidigt detektion av biomolekyler. Kemisk modifiering av varje enskild elektrod yta är en utmaning för båda typerna av MEU. De konventionella metoderna för ytmodifiering Tex. ytadsorption eller bryggbindning är inte tillämpbara dels på grund av elektrodernas små ytor (3-5um) i diameter, dels på grund av dom korta avstånden mellan dom (1-3 mikrometer) som ger en hög risk för att förorena den angränsande elektrod ytan ("cross-talk"). I stället modifieras ytan med in situ electropolymerisation eller infångning av enzym i en polymerfilm som odlats på elektrod ytan. Uppsättningar av kemiskt modifierade individuellt adresserbara microelektroder kommer att tillämpas för samtidig detektion av olika ämnen, t.ex. insulin och glukos, acetylkolin och glukos, neurotransmittorer, bekämpningsmedel, gifter med både hög känslighet (nano-och pikomolar nivåer) och selektivitet. Det kommer ochså att tillämpas för studier och övervakning av exocytos. Eftersom varje elektrod i MEU kommer att vara individuellt adresserbar kommer det att vara möligt att utföra både tids och spatielt upplösta studier av exocytos. Del II i denna projekt omfattar även användning av elektrokemiskt ytplasmonresonans (EC-SPR) för övervakning av exocytos. EC-SPR är en kraftfull teknik som möjligör samtidigt mätning av optiska och elektrokemiska egenskaper hos molekylen, eller en film som har adsorberas på den aktiva ytan. EC-SPR har aldrig använts tidigare för att exocytos studier. Celler kommer att odlas på SPR:s avkänningsyta och SPR kommer att mäta förändringar i cellernas membran struktur under exocytos, medan typen och mängden av dom frigjorda biomolekylerna mäts elektrokemiskt. Det kommer att ge ytterligare insikt om processerna vid kommunikation mellan celler och cellsignalering.

Participants

Fredrik Höök (contact)

Professor vid Chalmers, Physics, Biological Physics

Collaborations

University of Gothenburg

Gothenburg, Sweden

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2014–2015

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2015-10-17