O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed

Neste trabalho, foram desenvolvidos sensores eletroquímicos para a detecção amperométrica do óxido nítrico (NO) fundamentada na aplicação da ftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) e do poli(5-amino 1-naftol) (poli(5-NH2 1-NAP)). NiTsPc foi eletrodepositada por voltametria cíclica sobre o eletrodo de platina e caracterizada eletroquimicamente em diferentes pHs. A detecção amperométrica de NO foi bastante sensível, mas o eletrodo não apresenta seletividade suficiente, motivo pelo qual este material foi substituído pelo poli(5-NH2 1-NAP) modificado com citocromo c. A imobilização foi caracterizada por voltametria cíclica e microbalança a cristal de quartzo. As detecções amperométricas do NO foram efetuadas aplicando o potencial em -0,6 V e foi observado que a variação da corrente devido à adição do NO ocorreu somente no segundo dia após a imobilização da proteína, o que pode estar relacionado a mudanças de estrutura do citcocromo c covalentemente ligado. O poli(5-NH2 1-NAP) foi também eletropolimerizado sobre nanotubos de carbono, obtendo assim um eletrodo nanoestruturado e o citocromo c foi imobilizado nessa estrutura. Assim como para os eletrodos maciços, ele não respondeu ao NO logo após a imobilização do citocromo c, respondendo somente no segundo dia e apresentou um melhor desempenho devido a sua maior área superficial. / In this work, electrochemical sensors for nitric oxide (NO) amperometric detection were prepared. For this purpose nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) and poly(5-amino 1-naphthol) (poly(5-NH2 1-NAP)) modified with cytochrome c were applied. NiTsPc was electropolymerized by cyclic voltammery at platinum electrode and were electrochemically characterized in differents pHs. NO amperometric detections were very sensitive, but the electrode does not present satisfactory selectivity, and because of this, the material was replaced by poly(5-NH2 1-NAP) modified with cytochrome c. The immobilization was characterized by cyclic voltammetry and electrochemical crystal microbalance. NO amperometric detection has been carried out by applying -0.6 V and it was observed that the current due the NO sensing was only observed at the second day after protein immobilization. This can be related with cytochrome c structural change. For nanostructuring the surface of Poly(5-NH2 1-NAP) it was electropolymerized on carbon nanotubes felt electrodes and cytochrome c was immobilized. As well as the bulk electrode, the nanostructured one did not sense NO immediately after the cytochrome c immobilization, being possible to observe current only after the second day displaying a much better performance due to its high superficial area.

Atualmente, aplicações de nanopartículas de magnetita (NPs-Fe3O4) têm sido comumente reportadas em inúmeros trabalhos descritos na literatura. Catálise, ferrofluidos e dispositivos de armazenamento de dados são algumas delas. Além disso, aplicações biomédicas têm sido demonstradas. Para esse último, têm-se os exemplos de magneto-hipertermia, liberação controlada de fármacos, agente de contraste em imagens de ressonância magnética e o controle de reações bioeletrocatalíticas envolvendo enzimas redox. Nesta tese, NPs-Fe3O4 foram aplicadas em duas vertentes inéditas. Dessa forma, tendo em vista uma melhor compreensão, a sua escrita foi dividida em dois capítulos, nos quais abordam separadamente cada uma dessas vertentes. O primeiro capítulo descreve a obtenção, modificação e funcionalização de NPs-Fe3O4 a afim de usá-las como uma plataforma para a imobilização do citocromo c (Cyt c); uma proteína redox de comportamento modelo dotada de um grupo prostético heme em sua estrutura terciária. Em seguida, após um efetivo processo de imobilização do Cyt c sobre as NPs-Fe3O4 com superfície modificada, o uso de um campo magnético externo possibilitou a deposição do mesmo na interface eletródica, estabelecendo a reação de transferência direta de elétrons entre o grupo heme e a superfície metálica do eletrodo de trabalho. Além disso, por meio da permuta entre os estados comutáveis switch on e switch off, obteve-se o controle magnético comutável da reação de transferência direta de elétrons do Cyt c quando imobilizado na superfície das NPs-Fe3O4 com superfície modificada. Já para o segundo capítulo, NPs-Fe3O4 foram utilizadas como adesivo magnético a fim de capturar nanoestruturas metálicas hollow (nanocages bimetálicos de Au/Ag) dispersas em suspensão aquosa. Dessa forma, por meio da influência de um campo magnético constante, os aglomerados formados entre esses dois nanomateriais foram depositados sobre uma máscara litográfica, levando a formação de padrões de litografia magnética dispostos sobre a superfície de um substrato de ITO (vidro recoberto com óxido de estanho dopado com índio). Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) comprovaram que a metodologia utilizada para o preparo dos padrões litográficos foi eficaz, apresentando um alto rendimento na obtenção dos mesmos. Além disso, realizou-se com sucesso o mapeamento químico de infravermelho dos padrões litográficos dispostos sobre o ITO. Para isso, empregou-se como alvo os modos vibracionais do polímero polivinilpirrolidona (PVP) utilizado na funcionalização dos nanocages bimetálicos de Au/Ag. Por fim, acredita-se que os padrões litográficos arranjados em macroescala, juntamente com os aglomerados de nanocages bimetálicos alinhados na forma de microfios, possuem potencial aplicação em estudos de espectroscopia de absorção no infravermelho intensificado por superfície (SEIRA). / Currently, applications of magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs) have been commonly reported in many studies in the literature. Catalysis, ferrofluids and data storage devices are some of them. Moreover, biomedical applications have been demonstrated. For the latter, there are the following examples, such as magneto-hyperthermia, controlled release of drugs and the control of bioelectrocatalysis of the enzymatic reactions. In this thesis, Fe3O4-NPs were used in two new applications. Therefore, towards a better understanding its writing was divided into two chapters, which each one of them reports separately these two applications. The first chapter describes the synthesis, modification and functionalization of Fe3O4-NPs in order to use them as a platform for the immobilization of cytochrome c (Cyt c); model redox protein which possess a heme prosthetic group in its tertiary structure. Then, after an effective immobilization of Cyt c on surface-modified Fe3O4-NPs, the use of an external magnetic field permitted the deposition of this redox protein on the electrode interface, establishing the reaction of direct electron transfer between heme prosthetic group and the metallic surface of the working electrode. Furthermore, by the exchange between ON and OFF switch modes was obtained the magnetic control of the direct electron transfer of Cyt c when immobilized on the surface-modified Fe3O4-NPs. For the second chapter, Fe3O4-NPs were used as magnetic adhesive to capture hollow metallic nanostructures (Au-Ag bimetallic nanocages) dispersed in aqueous suspension. Thus, by use of a constant magnetic field, the agglomerates formed between these two nanomaterials were deposited on a lithographic mask, leading to formation of magnetolithograph patterns on the surface of ITO substrate (glass coated with oxide tin-doped indium). Scanning electron microscopy images (SEM) showed that the methodology used for the high-yield preparation of lithographicpatterns was effective. Furthermore, the FTIR chemical mapping of the lithographic patterns arranged on the ITO\'s surface was successfully performed. For this, the CH2 and C-N, C=O vibrational modes of the polyvinylpyrrolidone polymer (PVP) used for the functionalization of Au-Ag bimetallic nanocages were employed as target. Finally, we believed that magnetolithograph patterns arranged in microscale on the ITO surface, and also the clusters of the bimetallic nanocages aligned as micro-wires show potential application in surface-enhanced infrared absorption (SEIRA).

Atualmente, aplicações de nanopartículas de magnetita (NPs-Fe3O4) têm sido comumente reportadas em inúmeros trabalhos descritos na literatura. Catálise, ferrofluidos e dispositivos de armazenamento de dados são algumas delas. Além disso, aplicações biomédicas têm sido demonstradas. Para esse último, têm-se os exemplos de magneto-hipertermia, liberação controlada de fármacos, agente de contraste em imagens de ressonância magnética e o controle de reações bioeletrocatalíticas envolvendo enzimas redox. Nesta tese, NPs-Fe3O4 foram aplicadas em duas vertentes inéditas. Dessa forma, tendo em vista uma melhor compreensão, a sua escrita foi dividida em dois capítulos, nos quais abordam separadamente cada uma dessas vertentes. O primeiro capítulo descreve a obtenção, modificação e funcionalização de NPs-Fe3O4 a afim de usá-las como uma plataforma para a imobilização do citocromo c (Cyt c); uma proteína redox de comportamento modelo dotada de um grupo prostético heme em sua estrutura terciária. Em seguida, após um efetivo processo de imobilização do Cyt c sobre as NPs-Fe3O4 com superfície modificada, o uso de um campo magnético externo possibilitou a deposição do mesmo na interface eletródica, estabelecendo a reação de transferência direta de elétrons entre o grupo heme e a superfície metálica do eletrodo de trabalho. Além disso, por meio da permuta entre os estados comutáveis switch on e switch off, obteve-se o controle magnético comutável da reação de transferência direta de elétrons do Cyt c quando imobilizado na superfície das NPs-Fe3O4 com superfície modificada. Já para o segundo capítulo, NPs-Fe3O4 foram utilizadas como adesivo magnético a fim de capturar nanoestruturas metálicas hollow (nanocages bimetálicos de Au/Ag) dispersas em suspensão aquosa. Dessa forma, por meio da influência de um campo magnético constante, os aglomerados formados entre esses dois nanomateriais foram depositados sobre uma máscara litográfica, levando a formação de padrões de litografia magnética dispostos sobre a superfície de um substrato de ITO (vidro recoberto com óxido de estanho dopado com índio). Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) comprovaram que a metodologia utilizada para o preparo dos padrões litográficos foi eficaz, apresentando um alto rendimento na obtenção dos mesmos. Além disso, realizou-se com sucesso o mapeamento químico de infravermelho dos padrões litográficos dispostos sobre o ITO. Para isso, empregou-se como alvo os modos vibracionais do polímero polivinilpirrolidona (PVP) utilizado na funcionalização dos nanocages bimetálicos de Au/Ag. Por fim, acredita-se que os padrões litográficos arranjados em macroescala, juntamente com os aglomerados de nanocages bimetálicos alinhados na forma de microfios, possuem potencial aplicação em estudos de espectroscopia de absorção no infravermelho intensificado por superfície (SEIRA). / Currently, applications of magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs) have been commonly reported in many studies in the literature. Catalysis, ferrofluids and data storage devices are some of them. Moreover, biomedical applications have been demonstrated. For the latter, there are the following examples, such as magneto-hyperthermia, controlled release of drugs and the control of bioelectrocatalysis of the enzymatic reactions. In this thesis, Fe3O4-NPs were used in two new applications. Therefore, towards a better understanding its writing was divided into two chapters, which each one of them reports separately these two applications. The first chapter describes the synthesis, modification and functionalization of Fe3O4-NPs in order to use them as a platform for the immobilization of cytochrome c (Cyt c); model redox protein which possess a heme prosthetic group in its tertiary structure. Then, after an effective immobilization of Cyt c on surface-modified Fe3O4-NPs, the use of an external magnetic field permitted the deposition of this redox protein on the electrode interface, establishing the reaction of direct electron transfer between heme prosthetic group and the metallic surface of the working electrode. Furthermore, by the exchange between ON and OFF switch modes was obtained the magnetic control of the direct electron transfer of Cyt c when immobilized on the surface-modified Fe3O4-NPs. For the second chapter, Fe3O4-NPs were used as magnetic adhesive to capture hollow metallic nanostructures (Au-Ag bimetallic nanocages) dispersed in aqueous suspension. Thus, by use of a constant magnetic field, the agglomerates formed between these two nanomaterials were deposited on a lithographic mask, leading to formation of magnetolithograph patterns on the surface of ITO substrate (glass coated with oxide tin-doped indium). Scanning electron microscopy images (SEM) showed that the methodology used for the high-yield preparation of lithographicpatterns was effective. Furthermore, the FTIR chemical mapping of the lithographic patterns arranged on the ITO\'s surface was successfully performed. For this, the CH2 and C-N, C=O vibrational modes of the polyvinylpyrrolidone polymer (PVP) used for the functionalization of Au-Ag bimetallic nanocages were employed as target. Finally, we believed that magnetolithograph patterns arranged in microscale on the ITO surface, and also the clusters of the bimetallic nanocages aligned as micro-wires show potential application in surface-enhanced infrared absorption (SEIRA).