Ανάπτυξη κυτταρικού βιοαισθητήρα για την ανίχνευση βαρέων μετάλλων

Abstract

Τα βαρέα μέταλλα είναι φυσικά παρόντα στα πετρώματα και τα μεταλλεύματα και γι' αυτό εμφανίζονται πάντα στο έδαφος, τα ιζήματα, τα προϊόντα και σε ζωντανούς οργανισμούς. Η υπερβολική, ασυνήθιστη συγκέντρωση των βαρέων μετάλλων σε ιδιαίτερα μέσα οδηγεί σε μόλυνση και κατά συνέπεια απαιτούνται αξιόπιστες μέθοδοι για την ανίχνευσή τους. Τα μέταλλα - σε αντίθεση με τις περισσότερες τοξικές οργανικές ενώσεις - δεν αποικοδομούνται, και γι' αυτό συσσωρεύονται στο περιβάλλον. Τελικά, ένα μέρος αυτών καταλήγει με τη βιολογική τροφική αλυσίδα στον άνθρωπο, στον οποίο προκαλούν χρόνιες ή οξείες βλάβες. Αυτά λόγω της εκτεταμένης χρήσης τους συναντώνται συχνά σε πολλές κατηγορίες τροφίμων και ο ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός τους έχει περιοριστεί στη χρήση κλασσικών τεχνικών της αναλυτικής χημείας, όπως χρωματογραφικών και φασματοσκοπικών τεχνικών. Παρόλο που οι μέθοδοι αυτοί παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία, είναι χρονοβόρες και απαιτούν την παρουσία εξειδικευμένου και έμπειρου προσωπικού, όπως επίσης και την χρήση υψηλού κόστους εξοπλισμού. Επιπλέον, δεν έχουν την ικανότητα διεξαγωγής αναλύσεων τοξικών ουσιών επί τόπου και σε πραγματικό χρόνο. Σ΄αυτή τη μελέτη αναπτύχθηκε μια καινοτόμος διάταξη κυτταρικού βιοαισθητήρα, για την ανίχνευση βαρέων μετάλλων στο νερο, βασιζόμενη στη μέτρηση των αλλαγών του μεμβρανικού δυναμικού ακινητοποιημένων κυττάρων, σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας της μεθόδου βιοηλεκτρικής αναγνώρισης BERA (Bioelectric Recognition Assay). Tα κύτταρα ακινητοποιήθηκαν σε σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου (1η μέθοδος) και σε πλακίδια με αγαρόζη (2η μέθοδος), προκειμένου να διατηρηθούν οι φυσιολογικές τους λειτουργίες. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές κυτταρικές σειρές: N2a (καρκινικά κύτταρα νευροβλαστώματος), Vero (νεφρικά κύτταρα πράσινου πιθήκου) και φυτικά κύτταρα (πρωτοπλάστες από φύλλα καπνού Nicotiana tabacum). Συνολικά μελετήθηκε η απόκριση των κυτταρικών βιοαισθητήρων σε πέντε διαφορετικές συγκεντρώσεις, (1ppm, 500ppb, 100ppb, 10ppb και 1ppb), δύο βαρέων μετάλλων, του μόλυβδου (Pb) και του κάδμιου (Cd). Η χρήση αυτών των κυτταρικών βιοαισθητήρων οδήγησε κυρίως σε ποιοτική και σε ορισμένες περιπτώσεις ποσοτική ανίχνευση των βαρέων μετάλλων, καθώς και σε υψηλούς βαθμούς επαναληψιμότητας.

Heavy metals are present naturally in rocks and minerals and therefore always occur in soil, sediment, and products as well as in living organisms. The excessive, unusual concentration of heavy metals in particular leads to contamination and therefore requires reliable methods for their detection. Metals - in contrast to the more toxic organic compounds – are not degraded, and thus accumulate in the environment. Because of their extensive use they are often found in many food categories, but conventional methods of analysis, chromatographic and spectroscopic techniques, are sufficiently sensitive but time consuming, and require the presence of specialized and experienced personnel, as well as the use of highly expensive equipment. These standard analysis methods do not have the ability to detect toxic substances in real time. In the present study, a novel cell-biosensory method has been developed for for the detection of heavy metals in water, based on the measurement of changes of the cell membrane potential of immobilized cells, according to the working principle of the Bioelectric Recognition Assay. The cells were immobilised by entrapment in a sodium alginate bead (1st method) and in an agarose tile (2nd metod), in order to preserve their physiological functions. Three different kind of cells have been used; N2a (neuroblastoma cancer cells), Vero (kidney cells from green monkey) and plant cells (protoplasts from leaves of Nicotiana tabacum). This study presents the response of the cellular biosensors to five different concentrations, (1ppm, 500 ppb, 100ppb, 10ppb, 1ppb), two heavy metals, lead (Pb) and cadmium (Cd) The use of these cellular biosensors resulted in qualitative and in some cases quantitative detection of heavy metals and a high degree of reproducibility.