SENSORI & BIOSENSORI: Analisi dei Prodotti

1. SENSORI & BIOSENSORI: Analisi dei Prodotti Gianfranco Greppi Laboratorio di Bionanotecnologie. Porto Conte Ricerche Università di Sassari

2. Sommario • Ricerca e Trasferimento • Perché i biosensori • La tecnolgia • Le applicazioni

3. Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione Università Enti pubblici e Non-profit building block building block Imprese con i propri laboratori infrastrutture di base

4. RECESSIONE E MANCATA RICERCA Nel 2003 investimenti in ricerca 16 miliardi Euro OCSE Francia 38 miliardi ULTIMO DEI PAESI DEL G7 Unico con oltre 50% finanziamento pubblico INVESTIMENTI IN CONOSCENZA 1,8 vs 4,5 Paesi OCSE PIA, POR, MIUR innovazione PRODUTTIVITA’ +0,8

5. Un percorso per il trasferimento tecnologico nel settore delle Biotecnologie Relatore: GIANFRANCO GREPPI- LEA BIOTECH SPINOFF UNIMI

6. Il sistema della ricerca, della sperimentazione e del trasferimento dell’innovazione Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione Università Enti pubblici e Non-profit building block building block Imprese con i propri laboratori infrastrutture di base

7. Ogni istituzione può giocare molteplici ruoli: formazione, ricerca fondamentale e applicata, sviluppo tecnologico - i legami tra gli attori del sistema si sono intensificati: le collaborazioni tra imprese, Enti e Università, non sono più eventi sporadici ma prassi comune; esse coinvolgono crescenti flussi di risorse finanziarie, di uomini e di conoscenze - la comparsa e l'affermazione del sistema finanziario come nuovo attore nei SI, con un ruolo del Venture Capital -Start-up nei settori di punta tecnologica, originate nelle Università e nei Centri di Eccellenza scientifica.

8. RECESSIONE E MANCATA RICERCA Nel 2003 investimenti in ricerca 16 miliardi Euro OCSE Francia 38 miliardi ULTIMO DEI PAESI DEL G7 Unico con oltre 50% finanziamento pubblico INVESTIMENTI IN CONOSCENZA 1,8 vs 4,5 Paesi OCSE PIA, POR, MIUR innovazione PRODUTTIVITA’ +0,8

9. TRASFERIMENTO SPIN-OFF SPIN-OFF APPLICATA APPLICATA RICERCA DI BASE RICERCA DI BASE DIDATTICA DIDATTICA

10. RECESSIONE E MANCATA RICERCA SPIN-OFF APPLICATA RICERCA DI BASE DIDATTICA

11. BIOTECH & PMI (2003) Impiegano 1700 addetti e realizzano un fatturato di 250 milioni di euro.

12. BIOTECH & PMI (2003)

13. BIOTECH & PMI 1990 vs 2010 BASSI COSTIHIGH THROUGHPUT QUALITA’ DEI DATI INTEGRAZIONESTANDARDIZZAZIONEDECENTRALIZZAZIONEINFORMAZIONE Vecchi valori Nuovi valori CURVA APPRENDIMENTO ACCELERATA

14. BIOTECH & PMI 2006-2010 SCREENING NUOVI LEAD PROTEOMICA GENOMICA ARRAY MICRO DIMENSIONI INFORMAZIONE DIGITALE NUOVE PIATTAFORME BASSI CONSUMI REAGENTI MISURE DIRETTE

15. BIOTECH & PMI TREND

16. BIO-NANOTEC PER LA SALUTE E PER LA BIOSICUREZZA DEI PRODOTTI

17. BIOTECH & PMI TREND

18. BIOTECH & PMI PRODOTTI

19. PROTEOMICA FARMACOGENOMICA DRUG DELIVERY GENOMICA RICERCA SVILUPPO ANALISI BIOLOGICA ANALISI CHIMICA IDENTIFICA IL TARGET VALIDA IL TARGET IDENTIFICA IL LEAD OTTIMIZZA LEAD TEST PRE-CLINICI TEST CLINICI PIATTAFORMA BIOTECH Bioinformatica

20. Biotech & Fusion Technologies Genomics, Proteomics and Bioinformatics: Combinatorial –chemistry Peptide libraries- tea bags, beads Combinatorial –biology Directed evolution DNA Shuffling, Molecular Breeding High throughput analysis: Nucleic Acid based Sequencing Microarrays Protein based. 2-D, electrospray/nanospray MS: MALDI-TOF, LC/MS/MS, SELDI Imaging/optical biology. Biosensors, Bioelectronics Bionetworks (Nanotechnology). Bioinformatica

21. MICROARRAY

22. PROTEOMICA

23. La conoscenza deve scorrere da quelli che sanno le cose a quelli che fanno cose Joel Mokyr “Historical Origins of Knowledge Economy”Princeton University 2002

24. Perchè i biosensori? • I biosensori sono degli strumenti analitici con potenzialità enormi, sia in termini di interesse scientifico, sia in termini di applicazioni commerciali: • Capo medico diagnostico. • Analisi dei pesticidi e contaminanti delle acque • Analisi in remoto per contaminazioni batteriche nelle attività bioterrorismo. • Analisi dei patogeni negli alimenti • Analisi di routine dell’acido flico, biotina, vitamina B12 e acido pantotenico • Analisi di antibiotici negli alimenti

25. I biosensori • I BIOSENSORI sono degli strumenti analitici costituiti da un componente biologico e un trasduttore. trasduttore comp. biologico film protettivo PC

26. Schema logico di un sensore Unità di memorizzazione Interfaccia elettronica Unità di elaborazione

27. Perchè i biosensori? • Analisi degli alimenti • Analisi dei pesticidi e contaminanti delle acque • Analisi dei patogeni • Analisi diossine • Analisi di routine dell’acido flico, biotina, vitamina B12 e acido pantotenico • Analisi di antibiotici

29. Cosa misura il biosensore? • L’attività dell’enzima:

30. I trasduttori Trasduttori usati per la costruzione di biosensori:

31. Trasduttori ottici • Un biosensore a trasduttore ottico misura i cambio di assorbanza di uno strato di reagente biologico che interagisce con l’analita.

32. Risonanza di superficie a plasmon • SPR

33. Trasduttori acustici

34. Trasduttori potenziometrici • pHmetro: • Glucosio ossidasi • glucose + O2 gluconolactone + H2O2 gluconate + H+ • Lipasi • lipide neutro + H2O glicerolo + acidi grassi + H+

35. Trasduttori potenziometrici • ISE al NH4+: • L-amino ossidasi • L-amino acido + O2 + H2O  keto acido + NH4+ + H2O2 • asparaginasi • L-asparagine + H2O  L-aspartate + NH4+

36. Trasduttori potenziometrici • ISE al I-: • perossidasi • H2O2 + 2H+ + 2I- I2 + 2H2O • ISE al CN-: • glucosidasi • amigdalina + 2H2O  2glucose + benzaldeide + H+ + CN-

37. Trasduttori conduttimetrici • Il prodotto di una reazione enzimatica cambia la conducibilità della soluzione in prossimità degli elettrodi. Enzima Lamina d’oro o di platino

38. Trasduttori amperometrici • L’amperometria misura una corrente ad un potenziale applicato costante. Add 10mM steady-state Add 10mM steady-state Current background Time

39. Amperometria

40. Corrente e potenziale • Su un metallo inerte, applico un potenziale anodico, o catodico, relativamente ad un elettrodo di riferimento. • Il metallo misura una corrente anodica o catodica, in base al numero delle specie in soluzione che si possono ossidare o ridurre.

41. Potenziale anodico e catodico e- e- +++++ --------- Potenziale anodico: La superficie è povera di elettroni. Una specie chimica capace di donare elettroni verrà ossidata Potenziale catodico: La superficie è ricca di elettroni. Una specie chimica capace di ricevere elettroni verrà ridotta

42. Biosensori amperometrici Working electrode H2O2 Substrato ox elettroni Substrato red O2

43. Biosensori amperometrici • Si classificano in I, II e III generazione

44. Biosensori della I generazione • La prima classe di biosensori amperometrici riguarda la misura diretta del prodotto della reazione enzimatica: • Perossido di idrogeno • NADH • Consumo del cofattore (ossigeno)

45. Biosensori della I generazione • Il primo biosensore fu ideato da Clark nel 1962. Esso si basava sulla misura dell’ossigeno consumato durante la reazione enzimatica di un ossidasi, tramite un elettrodo di platino polarizzato a -700 mV, seguendo la reazione: • Il range dinamico di questo dispositivo è circa tra 50 mM e 1 mM.

46. Biosensori della I generazione • Un’alternativa al primo biosensore si basa: • sulla imobilizzazione dell’enzima direttamente sulla superficie dell’elettrodo • sulla misura del perossido di idrogeno prodotto durante la reazione enzimatica, tramite un elettrodo di platino polarizzato a +700 mV, seguendo la reazione:

47. Biosensori della I generazione • Il perossido di idrogeno può anche venire ridotto all’elettrodo di platino, secondo la seguente equazione:

48. Biosensori della I generazione • Alternativamente, è possibile misurare la produzione di NADH da NAD+ quando si usano enzimi tipo deidrogenasi: • Il NADH è ossidato all’elettrodo, ma sono richiesti potenziali molto alti.

49. Biosensori II generazione • I biosensori si sono evoluti, sostituendo il cofattore naturale dell’enzima con una molecola capace di traghettare gli elettroni dal centro attivo dell’enzima alla superficie del trasduttore amperometrico. Working electrode Mediatore red Substrato ox elettroni Substrato red Mediatore ox

50. Cos’è un mediatore? • I mediatori si possono classificare in: • Molecole organiche • Complessi organici di metalli di transizione • Molecole inorganiche • Polimeri conduttori • Idealmente, il mediatore dovrebbe essere piccolo da entrare facilmente nel sito attivo dell’enzima, essere riciclabile, scambiare elettroni velocemente con l’elettrodo.