Ultrasensitive detection of pathogens in real-time. Potentiometric biosensors based on single-walled carbon nanotubes and aptamers

Abstract

Un gran nombre de plataformes de detecció biològica han incorporat materials nanoestructurats com una estratègia per a millorar diversos paràmetres operacionals i de qualitat tals com reduir els temps d'anàlisis i els límits de detecció. Les tècniques electroquímiques de detecció es prefereixen sobre altres tècniques ja que presenten una sèrie d'avantatges com a rapidesa, facilitat de maneig, cost reduït i la reduïda mida dels detectors comercials. Entre les tècniques electroquímiques, les metodologies més simples, comunes i més fàcils de transportar són aquelles basades en la potenciometria. La nova tendència seguida amb els elèctrodes potenciomètrics d'estat sòlid representa una eina atractiva en l'anàlisi de mostres líquides en temps real. No obstant això, fins avui ha estat difícil dur a terme la detecció electroquímica directa de bacteris i proteïnes, sense utilitzar marcadors químics, donat que les interaccions receptor‐bacteri i receptor‐proteïna no produeixen un senyal elèctric mesurable. En aquesta tesi, es demostra per primera vegada la detecció potenciomètrica en temps real de bacteris i proteïnes relacionades amb diverses malalties. Aquesta tasca va ser duta a terme mitjançant el disseny d'una plataforma universal de detecció utilitzant nanotubs de carboni com a transductors potenciomètrics i aptàmers com a elements de reconeixement molecular. Les excel•lents propietats de transducció ofertes pels nanotubs de carboni combinades amb la gairebé il•limitada possibilitat dels aptàmers de ser dissenyats in vitro per reconèixer ions, proteïnes, virus i bacteris converteix aquesta plataforma en una eina amb possibilitats inesgotables de detecció biològica en temps real.

Un gran número de plataformas de detección biológica han incorporado materiales nanoestructurados como una estrategia para mejorar varios parámetros operacionales y de calidad tales como reducir los tiempos de análisis y los límites de detección. Las técnicas electroquímicas de detección se prefieren sobre otras técnicas debido a que presentan una serie de ventajas tales como rapidez, facilidad de manejo, coste reducido y el reducido tamaño de los detectores comerciales. Entre las técnicas electroquímicas, las metodologías más simples, comunes y más fáciles de transportar son aquellas basadas en la potenciometría. La nueva tendencia seguida con los electrodos potenciométricos de estado sólido representa una herramienta atractiva para el análisis de muestras líquidas en tiempo real. Sin embargo, hasta hoy ha sido difícil llevar a cabo la detección electroquímica directa de bacterias y proteínas sin ULTRASENSITIVE DETECTION OF PATHOGENS IN REAL‐TIME POTENTIOMETRIC BIOSENSORS BASED ON SINGLE‐WALLED CARBON NANOTUBES AND APTAMERS utilizar marcadores químicos, dado que las interacciones receptor‐bacteria y receptor‐proteína no producen una señal eléctrica medible. En esta tesis, se demuestra por primera vez la detección potenciométrica en tiempo real de bacterias y proteínas relacionadas con varias enfermedades. Esta tarea fue llevada a cabo mediante el diseño de una plataforma universal de detección utilizando nanotubos de carbono como transductores potenciométricos y aptámeros como elementos de reconocimiento molecular. Las excelentes propiedades transductoras de los nanotubos de carbono combinadas con la casi ilimitada posibilidad de los aptámeros de ser diseñados in vitro para reconocer iones, proteínas, virus y bacterias convierte esta plataforma en una herramienta con posibilidades inagotables de detección biológica en tiempo real.

Numerous biosensing platforms have incorporated nanostructured materials as a strategy for improving several performance and operational parameters such as reducing the limits of detection or the assay times in both pathogen and protein detection. Electrochemical sensing techniques are preferred over other detection methods because they present a series of advantages such as rapid response, ease of use, low‐cost and small sized commercial detectors. Among the electrochemical techniques, the simplest, most widespread and fieldportable methodologies are based on potentiometry. The new wave of potentiometric solidstate electrodes represents an attractive tool for real‐time bioanalysis in liquid samples. However, to date, it has been difficult to carry out the specific and direct electrochemical detection of whole living bacterial cells or disease‐related proteins without chemical labelling because the interaction receptor‐bacteria/receptor‐protein does not provide a measurable electrochemical signal. In this Thesis, the real‐time potentiometric detection of bacteria and disease‐related proteins is demonstrated for the first time. To accomplish such a challenging task, a novel and universal biosensing platform is designed using single‐walled carbon nanotubes as potentiometric transducers, and aptamers as biorecognition elements. The excellent potentiometric transduction properties of carbon nanotubes combined with the quasi‐unlimited capability of aptamers (RNA and DNA synthetic oligonucleotide segments) to be tailored in vitro against ions, proteins, viruses and bacteria converts such a platform into a