Tesis por compendio / [EN] Food security is guaranteed when there is sufficient, safe and nutritious food. This assurance must be satisfied throughout the entire production process, which is known as "safety from farm to fork". This results in a new way of addressing the problem with a global and comprehensive approach. To address this challenge, molecular techniques based on the use of nucleic acids are used in the analysis of certain food threatens, such as allergens, microorganisms, genetically modified organisms (GMOs), or food authentication. However, some of the described methods still have limitations, since they are expensive, complicated, and require specialized staff and equipment. Alternatively, biosensor technology provides reliable results in a simpler and faster way and with and added capabilities such as portability and automation, allowing to perform the analysis directly at points-of-control (POC). This thesis has focused on developing a biosensor system, based on compact disc technology, for the detection of nucleic acids in food safety applications and adaptable to POC needs. The carried out investigations have yielded new insights into gene technology, making interesting methodological contributions characterized by miniaturization, integration and automation. The first part of the research deals with the simplification of the amplification step, eluding the thermocycling by using alternatives to the polymerase chain reaction (PCR). To this end, two isothermal amplification techniques have been studied: the recombinase polymerase amplification (RPA) and the multiple displacement amplification (MDA). The detection was performed by hybridization assays with DNA probes immobilized in microarray format on the polycarbonate surface of a DVD. Furthermore, RPA amplification has been combined with detection by an immunoenzymatic assay (ELISA) for the simultaneous detection of multiple analytes. In another approach, amplification and hybridization have been integrated in a single step, further simplifying the analytical process. For that, the isothermal RPA amplification is performed in solid phase on the surface of the disc in different formats: drop, microfluidic chambers or micro-reactors. In the first two formats, the reactions take place at the surface of the DVD and the measurement is performed by recording the intensity of the reflected laser. In the third case the reaction is carried out in micro-wells embedded in the DVD substrate and the measurement is performed by measuring the intensity of the transmitted signal. Finally, a method to real time monitoring DNA synthesis has been developed, integrating the amplification and quantification steps. To this end, the isothermal loop mediated isothermal amplification reaction (LAMP) has been used. The monitoring of the reaction progress is performed by sequentially measuring colorimetric or turbidimetric changes in the reaction mixture. Thus each profile is related to the number of copies of each target gene, allowing their quantitation. The analytical properties (have been established for each methodology and the obtained results have been validated by comparison with reference techniques and by using certified samples. As proof of concept, the different developments have been applied to the detection and determination of the presence of allergens (hazelnut, peanut, soybean, tomato and maize), genetically modified organisms (p35S, tNOS and Bt-11), pathogenic bacteria (Salmonella spp., Cronobacter spp. and Campylobacter spp.), fungi (Fusarium spp.), as well as meat authentication. / [ES] La seguridad alimentaria está garantizada cuando se dispone de alimentos suficientes, nutritivos e inocuos. Esta garantía, además, ha de cumplirse a lo largo de todo el proceso productivo, lo que se conoce como "seguridad de la granja a la mesa". Nace así una nueva forma de abordar el problema, con un enfoque global y un tratamiento integral. Para afrontar este reto, las técnicas moleculares basadas en el empleo de ácidos nucleicos son, actualmente, utilizadas en la detección de amenazas alimentarias, como por ejemplo, alérgenos, microorganismos, organismos genéticamente modificados (OGM), o la autentificación de especies. Sin embargo, muchos de los métodos en uso presentan limitaciones, ya que son costosos, complicados, y requieren personal y equipamiento especializado. La tecnología de biosensores es una aproximación adecuada, ya que proporciona resultados fiables de manera sencilla y rápida, y con capacidades añadidas como portabilidad y automatización para llevar a cabo los ensayos directamente en puntos de control (POC). Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de un sistema biosensor, basado en la tecnología de disco compacto, para la detección de ácidos nucleicos en aplicaciones de seguridad alimentaria adaptable a POC. Las investigaciones llevadas a cabo han permitido obtener nuevos conocimientos en tecnologías génicas, pudiendo efectuar aportaciones metodológicas de interés caracterizadas por su miniaturización, integración y automatización. En este sentido, una parte de la investigación aborda la simplificación de la etapa de amplificación del ADN diana, eludiendo el termociclado mediante el empleo de técnicas alternativas a la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Para ello, se han estudiado dos técnicas de amplificación isoterma, la amplificación por recombinasa polimerasa (RPA) y la amplificación por desplazamiento múltiple (MDA). La detección se lleva a cabo mediante ensayos de hibridación con sondas de ADN inmovilizadas en formato micromatriz sobre la superficie de policarbonato de un DVD. Además, la amplificación por RPA se ha combinado con la detección mediante inmunoensayo ezimático (ELISA) para la determinación simultánea de múltiples analitos. En otra aproximación, se han integrado las fases de amplificación e hibridación en una única etapa, simplificando aún más el proceso analítico. Para ello, la amplificación isoterma por RPA se realiza en fase sólida sobre la superficie del disco en diferentes formatos: gota, cámaras microfluídicas o microreactores. En los dos primeros formatos, las reacciones tienen lugar en la superficie del DVD y la medición se realiza registrando la intensidad del haz láser del lector reflejado, mientras que en el tercer caso la reacción se lleva a cabo en micropocillos integrados en la estructura del DVD y la lectura se realiza midiendo la intensidad de la señal transmitida. Finalmente, se ha desarrollado una metodología para monitorizar la síntesis de ADN en tiempo real, integrando así las etapas de amplificación y cuantificación. Para ello, se emplea la reacción de amplificación isoterma mediada por bucle (LAMP), registrando secuencialmente el avance de la reacción mediante cambios turbidimétricos o colorimétricos en el medio de reacción. De este modo, se relaciona el perfil de cada ensayo con el número de copias de cada gen diana, permitiendo así su cuantificación. Para cada metodología se han establecido las propiedades analíticas, y los resultados obtenidos han sido validados por comparación con técnicas de referencia y mediante el empleo de muestras certificadas. Como prueba de concepto, los diferentes desarrollos se han aplicado a la detección y determinación de la presencia de alérgenos (avellana, cacahuete, soja, tomate y maíz), organismos modificados genéticamente (p35S, tNOS y Bt-11), bacterias patógenas (Salmonella spp., Cronobacter spp. y Campylobacter spp.) y hongos (Fusariu / [CA] La seguretat alimentària està garantida quan es disposa d'aliments suficients, nutritius i innocus. Esta garantia, a més, ha de complir-se al llarg de tot el procés productiu, el que es coneix com a "seguretat de la granja a la taula". Naix així una nova forma d'abordar el problema, amb un enfocament global i un tractament integral. Per a afrontar este repte, les tècniques moleculars basades en la utilització d'àcids nucleics són, actualment, usades en l'anàlisi de certes amenaces alimentàries, com per exemple, la detecció d'al·lèrgens, microorganismes, organismes genèticament modificats (OGM), o l'autentificació de determinades espècies. No obstant això, molts dels mètodes en ús presenten limitacions, ja que són costosos, complicats, i requerixen personal i equipament especialitzat. La tecnologia de biosensors és una aproximació adequada, ja que proporciona resultats fiables de manera senzilla i ràpida, i amb capacitats afegides com portabilitat i automatització per a dur a terme els assajos directament en punts de control (POC). Esta tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'un sistema biosensor, basat en la tecnologia de disc compacte, per a la detecció d'àcids nucleics en aplicacions de seguretat alimentària adaptable a POC. Les investigacions dutes a terme han permés obtindre nous coneixements en tecnologies gèniques, podent efectuar aportacions metodològiques d'interés caracteritzades per la seua miniaturització, integració i automatització. En este sentit, una part de la investigació aborda la simplificació de l'etapa d'amplificació de l'ADN diana, eludint el termociclat per mitjà de l'utilització de tècniques alternatives a la reacció en cadena de la polimerasa (PCR). Per a això, s'han estudiat dos tècniques d'amplificació isoterma, l'amplificació per recombinasa polimerasa (RPA) i l'amplificació per desplaçament múltiple (MDA). La detecció es du a terme per mitjà d'assajos d'hibridació amb sondes d'ADN immobilitzades en format micromatriu sobre la superfície de policarbonat d'un DVD. A més, l'amplificació per RPA s'ha combinat amb la detecció per mitjà d'inmunoassaig ezimátic (ELISA) per a la determinació simultània de múltiples anàlits. En una altra aproximació, s'han integrat les fases d'amplificació i hibridació en una única etapa, simplificant encara més el procés analític. Per a això, l'amplificació isoterma per RPA es realitza en fase sòlida sobre la superfície del disc en diferents formats: gota, cambres microfluídicas o microreactors. En els dos primers formats, les reaccions tenen lloc en la superfície del DVD i el mesurament es realitza registrant la intensitat del feix làser del lector reflectit, mentres que en el tercer cas la reacció es du a terme en micropouets integrats en l'estructura del DVD i la lectura es realitza mesurant la intensitat del senyal transmesa. Finalment, s'ha desenvolupat una metodologia per a monitoritzar la síntesi d'ADN en temps real, integrant així les etapes d'amplificació i quantificació. Per a això, s'utilitza la reacció d'amplificació isoterma mitjançada per bucle (LAMP), registrant sequencialment l'avanç de la reacció per mitjà de canvis turbidimétrics o colorimétrics en la reacció. D'esta manera, es relaciona el perfil de cada assaig amb el nombre de còpies de cada gen diana, permetent així la seua quantificació. Per a cada metodologia s'han establit les propietats analítiques i els resultats obtinguts han sigut validats per comparació amb tècniques de referència i per mitjà de l'utilització de mostres certificades. Com a prova de concepte, els diferents desenvolupaments s'han aplicat a la detección i determinació de la presència de al¿lèrgens (avellana, cacauet, soja, tomata i dacsa), organismes modificats genèticament (p35S, tNOS i Bt-11), bacteris patògens (Salmonella spp., Cronobacter spp. i Campylobacter spp.), fongs (Fusarium spp.), així com en la identific / Santiago Felipe, S. (2015). Integración de técnicas basadas en ADN para el desarrollo de biosensores aplicados en seguridad alimentaria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56464 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Tesis por compendio / [EN] The selective and sensitive detection of single nucleotide variations is essential for early diagnosis, individualized therapy, and disease prognosis. The SARS-CoV-2 pandemic has highlighted the pressing need to develop reliable, rapid and simple detection methods for mass diagnosis. Likewise, there is a growing demand for genomic biosensors that are selective, multi-analyte and low-cost and allow the detection and identification of certain oncological biomarkers. This doctoral thesis has focused on the development of integrated systems of isothermal amplification, selective hybridization and optical biosensing for detection of point mutations in the PIK3CA, KRAS and BRAF genes associated with colorectal cancer. These predictive biomarkers are related to increased cell proliferation, apoptosis, and resistance to monoclonal antibody treatments (Cetuximab and Panitumumab). Isothermal DNA amplification methods have been explored, as they are particularly suitable for the development of a new generation of diagnostic devices aimed at supporting precision medicine. Specifically, isothermal amplification by recombinase-polymerase (RPA) has been selected as an alternative to detection methods that require unique infrastructures. In addition, its integration with bioanalytical platforms has been investigated, which represents a great advance for the simplification of biorecognition processes and their optical detection. This methodology has presented advantages over other DNA detection systems, in terms of portability and equipment, as well as reduction of test times and the possibility of performing diagnostic tests outside the laboratory. This doctoral thesis, framed in this context, is structured in 4 chapters: In chapter 1 a new variant of recombinase-polymerase amplification is presented, called RPA-blocked, based on the enrichment of minority alleles by introducing a blocking agent. In addition, this research has developed an analytical support consisting of a polycarbonate chip with covalently anchored allele-specific probes.The integration of the method has allowed the development of a portable system for the simultaneous genotyping of mutations in exons 9 and 20 of the PIK3CA gene. in cell lines and tumor tissues of cancer patients. In Chapter 2, the development of a genosensor that incorporates magnetic particles conjugated to allele-specific probes for the concentration and detection of the selective amplification product derived from RPA-blocked is described. With this genosensor, hybridization times and reaction volumes have been reduced. This approach has resulted in a portable and low-cost system for genotyping the KRAS gene applicable to solid tumor samples. Chapters 3 and 4 focus on the development of thermoplastic surfaces for the covalent anchoring of allele-specific probes mediated by dendrimeric molecules, with the aim of increasing the immobilization density. Thus, the covalent anchoring to activated polycarbonate and cycloolefin thermoplastic surfaces of allele-specific probes has been studied, mediated by carboxylic dendrimers through carbodiimide chemistry and by dendrons through the chemoselective reaction of the thiol-ino group. These multiplexed genosensors have allowed the genotyping of the V600 codon of the BRAF gene and the H1047 codon of the PIK3CA gene, in biopsied tissue samples. The research carried out in this thesis has given rise to new methodological contributions of interest based on obtaining integrated biosensor systems. These platforms will contribute to the development of massive diagnostic tools. / [ES] La detección selectiva y sensible de variaciones de nucleótido único es fundamental para el diagnóstico precoz, la terapia individualizada y el pronóstico de enfermedades. La pandemia SARS-CoV-2 ha puesto de manifiesto la necesidad acuciante de desarrollar métodos de detección fiables, rápidos y sencillos para el diagnóstico masivo. Asimismo, existe una demanda creciente de biosensores genómicos que sean selectivos, multianalito y de bajo coste y permitan detectar e identificar ciertos biomarcadores oncológicos.La presente tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo de sistemas integrados de amplificación isoterma, hibridación selectiva y biosensado óptico para la detección de mutaciones puntuales en los genes PIK3CA, KRAS y BRAF asociadas al cáncer colorrectal. Estos biomarcadores predictivos se relacionan con un incremento de la proliferación celular, apoptosis y resistencia a tratamientos con anticuerpos monoclonales (Cetuximab y Panitumumab). En este contexto, se han explorado los métodos isotermos de amplificación de ADN, dado que son particularmente adecuados para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de diagnóstico dirigidos a apoyar la medicina de precisión. En concreto, se ha seleccionado la amplificación isoterma por recombinasa-polimerasa (RPA) como una alternativa a los métodos de detección que requieren de infraestructuras singulares. Además, se ha investigado su integración con plataformas bioanalíticas, lo que supone un gran avance para la simplificación de los procesos de biorreconocimiento y su detección óptica. Esta metodología ha presentado ventajas frente a otros sistemas de detección de ADN, en términos de portabilidad y equipos, así como reducción de tiempos de ensayo y la posibilidad de realizar las pruebas de diagnóstico fuera del laboratorio. La presente tesis doctoral, enmarcada en este contexto, se estructura en 4 capítulos: En el capítulo 1 se presenta una nueva variante de la amplificación por recombinasa-polimerasa, denominada RPA-bloqueada, basado en el enriquecimiento de alelos minoritarios mediante de la introducción de un agente bloqueante. Además, en esta investigación se ha desarrollado un soporte analítico formado por un chip de policarbonato con sondas alelo-específicas ancladas covalentemente.La integración del método ha permitido desarrollar un sistema portátil para el genotipado simultáneo de mutaciones en los exones 9 y 20 del gen PIK3CA en líneas celulares y en tejidos tumorales de pacientes oncológicos. En el capítulo 2, se describe el desarrollo de un genosensor que incorpora partículas magnéticas conjugadas a sondas alelo-específicas para la concentración y detección del producto de amplificación selectivo derivado de la RPA-bloqueada. Con este genosensor, se han reducido los tiempos de hibridación y los volúmenes de reacción. Esta aproximación se ha concretado en un sistema portátil y de bajo coste para el genotipado del gen KRAS aplicable a muestras de tumores sólidos. Los capítulos 3 y 4 se centran en el desarrollo de superficies termoplásticas para el anclaje covalente de sondas alelo-específicas mediado por moléculas dendriméricas, con el objetivo de incrementar la densidad de inmovilización. Así, se ha estudiado el anclaje covalente a superficies termoplásticas de policarbonato y cicloolefina activadas, de sondas alelo-específicas, mediado por dendrímeros carboxílicos mediante la química de la carbodiimida y por dendrones mediante la reacción quimioselectiva del grupo tiol-ino. Dichos genosensores multiplexados han permitido el genotipado del codón V600 del gen BRAF y el codón H1047 del gen PIK3CA, en muestras de tejido biopsiado. Las investigaciones desarrolladas en la presente tesis han dado lugar a nuevas aportaciones metodológicas de interés basadas en la obtención de sistemas biosensores integrados. Estas plataformas, contribuirán al desarrollo de herramientas de diag / [CAT] La detecció selectiva i sensible de variacions de nucleòtid únic és fonamental per al diagnòstic precoç, la teràpia individualitzada i el pronòstic de malalties. La pandèmia SARS-CoV-2 ha posat de manifest la necessitat apressant de desenvolupar mètodes de detecció fiables, ràpids i senzills per al diagnòstic massiu. Així mateix, existeix una demanda creixent de biosensors genòmics que siguen selectius, multianàlit i de baix cost i permeten detectar i identificar uns certs biomarcadors oncológics. La present tesi doctoral s'ha centrat en el desenvolupament de sistemes integrats d'amplificació isoterma, hibridació selectiva i biosensat òptic per a la detecció de mutacions puntuals en els gens PIK3CA, KRAS i BRAF associades al càncer colorectal. Aquests biomarcadors predictius es relacionen amb un increment de la proliferació cel·lular, apoptosi i resistència a tractaments amb anticossos monoclonals (Cetuximab i Panitumumab). S'han explorat els mètodes isoterms d'amplificació d'ADN, atés que són particularment adequats per al desenvolupament d'una nova generació de dispositius de diagnòstic dirigits a donar suport a la medicina de precisió. En concret, s'ha seleccionat l'amplificació isoterma per recombinasa-polimerasa (RPA) com una alternativa als mètodes de detecció que requereixen d'infraestructures singulars. A més, s'ha investigat la seua integració amb plataformes bioanalítiques, la qual cosa suposa un gran avanç per a la simplificació dels processos de biorreconeiximent i la seua detecció òptica. Aquesta metodologia ha presentat avantatges enfront d'altres sistemes de detecció d'ADN, en termes de portabilitat i equips, així com reducció de temps d'assaig i la possibilitat de realitzar les proves de diagnòstic fora del laboratori. La present tesi doctoral, emmarcada en aquest context, s'estructura en 4 capítols: En el capítol 1 es presenta una nova variant de l'amplificació per recombinasa-polimerasa, denominada RPA-bloquejada, basat en l'enriquiment d'al·lels minoritaris mitjançant de la introducció d'un agent bloquejant. A més, en aquesta investigació s'ha desenvolupat un suport analític format per un xip de policarbonat amb sondes al·lel-específiques ancorades covalentemente.la integració del mètode ha permés desenvolupar un sistema portàtil per al genotipat simultani de mutacions en els exons 9 i 20 del gen PIK3CA en línies cel·lulars i en teixits tumorals de pacients oncològics. En el capítol 2, es descriu el desenvolupament d'un genosensor que incorpora partícules magnètiques conjugades a sondes al·lel-específiques per a la concentració i detecció del producte d'amplificació selectiu derivat de la RPA-bloquejada. Amb aquest genosensor, s'han reduït els temps d'hibridació i els volums de reacció. Aquesta aproximació s'ha concretat en un sistema portàtil i de baix cost per al genotipat del gen KRAS aplicable a mostres de tumors sòlids. Els capítols 3 i 4 se centren en el desenvolupament de superfícies termoplàstiques per a l'ancoratge covalent de sondes al·lel-específiques mediat per molècules dendrimériques, amb l'objectiu d'incrementar la densitat d'immobilització. Així, s'ha estudiat l'ancoratge covalent a superfícies termoplàstiques de policarbonat i cicloolefina activades, de sondes al·lel-específiques, mediat per dendrimers carboxílics mitjançant la química de la carbodiimida i per dendrones mitjançant la reacció quimioselectiva del grup tiol-ino. Dits genosensors multiplexats han permés el genotipat del codó V600 del gen BRAF i el codó H1047 del gen PIK3CA, en mostres de teixit biopsiat Les investigacions desenvolupades en la present tesi han donat lloc a noves aportacions metodològiques d'interés basades en l'obtenció de sistemes biosensors integrats. Aquestes plataformes, contribuiran al desenvolupament d'eines de diagnòstic massiu. / Martorell Tejedor, S. (2021). Desarrollo de métodos integrados para la determinación de biomarcadores genéticos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176006 / TESIS / Compendio