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 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

[EN] The contamination of water resources with many industrial, agricultural and other chemicals is one of the key environmental problems that humanity is facing nowadays. Despite the fact that they are usually present at very low concentration, they possess a significant risk to aquatic and human life. To address this issue many national and international institutions set different regulations to monitor and control the water quality. Currently, the monitoring of compounds included in official watch lists is conducted by chromatographic and mass spectroscopic methods. These techniques are approved as "gold standards" for analytical quantitation of organic residues in water. Although they are sensitive and reproducible, cannot be used on-site. The need of sampling and centralized laboratory measurements makes not only the overall cost high but lowering the efficiency of the analysis. Therefore, there is an urgent need to develop suitable field methods to facilitate the in situ measurements at a low cost. Biosensors are therefore an alternative technology that can provide sensitive results in a fast and affordable way. This thesis has focused on the development of a biosensor based on immunoassays and compact disk technology, for the multiplex detection of priority water contaminants. As the methods based on the immunorecognition events are challenging in terms of the selectivity and sensitivity, the major part of the thesis was the selection of the immunoreagents, assay form and procedure. For the detection part, gold nanostructures were selected as sensitive tags for signal enhancement. Therefore, different nanoparticles were studied in order to select the optimal size in terms of the signal enhancement, sensitivity and antibody amount used. Also, the assays performances with signal enhancement and without any amplification were evaluated. The best immunoassay was selected for developing the multiplexed assay. Furthermore, an approach to improve the readout sensitivity of microimmunoassays based on used of gold nanoparticles as both capture and detection species was demonstrated. The method is based on the performance of the immunorecognition event in a homogeneous mode and detection part in the heterogeneous format. Finally, representative water samples were analysed to confirm the applicability of the multi-residue assay. The analytical properties have been established for each methodology and the obtained results have been validated by comparison with reference techniques. The investigations carried out in this work, have resulted in new insights in immunoassay technique that could be useful for screening applications. / [ES] La contaminación de aguas superficiales causada por plaguicidas y productos industriales es actualmente, uno de los grandes problemas medioambientales. Aunque estas sustancias están presentes a niveles muy bajos, tienen efectos perjudiciales en el medio en general y especialmente en humanos. Por este motivo, diferentes instituciones han regulado los niveles de contaminantes en áreas de controlar de la calidad de las aguas, creando listas prioritarias de sustancias peligrosas y tóxicas para el medio ambiente. Actualmente, la monitorización de los contaminantes incluidos en las listas oficiales se realiza mediante técnicas cromatográficas y espectrometría. Estos métodos analíticos están aprobados como técnicas de referencia para la determinación de residuos orgánicos presentes en aguas naturales. A pesar de ser técnicas fiables, reproducibles y sensibles, los métodos cromatográficos no están exentos de inconvenientes. Este tipo de metodologías requiere una instrumentación costosa y una laboriosa preparación de muestra, que hacen que el análisis sea en general complejo. Por ello, el desarrollo de métodos analíticos alternativos que faciliten hacer medidas in-situ a bajo coste y con gran capacidad de trabajo es de gran utilidad. En este sentido, las técnicas inmunoquímicas tienen un gran potencial analítico ya que son en general sensibles y selectivas, se pueden utilizar en el lugar de la toma de muestra y tienen capacidad multianalito. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de un sistema biosensor, basado en la tecnología de disco compacto, para la detección multianalito de diversos contaminantes prioritarios en aguas naturales. Las limitaciones más críticas para el desarrollo de un biosensor multianalito mediante métodos inmunoquímicos son los relacionados con su sensibilidad y selectividad. Por lo tanto, una parte importante de la tesis se ha centrado en la selección de inmunoreactivos, formato y optimización de diferentes parámetros claves del ensayo. Una estrategia utilizada para aumentar la sensibilidad de los ensayos ha consistido en marcar la inmunoreacción con nanopartículas de oro. Para ello, se ha estudiado diferentes tipos (esféricas y cilíndricas) de distinto tamaño y se han comparado sus prestaciones analíticas (relación señal ruido, sensibilidad etc.) También, se han desarrollado inmunoensayos cuantitativos sin necesidad de amplificación de la señal. Por otro lado, se ha desarrollado una aproximación que hemos denominado "inmunocaptura" basada en el uso de nanopartículas de oro como especie de captura de analitos en disolución y que actúa como marcador de la inmunointeracción que tiene lugar en la fase sólida. Finalmente, se han analizado muestras de agua naturales dopadas con distintos niveles de los analitos objeto de estudio para evaluar la utilidad de las metodologías desarrolladas como herramienta de screening masivo en el área medioambiental. Los resultados obtenidos han sido comparados con los obtenidos mediante las técnicas de referencia. Las investigaciones realizadas han permitido desarrollar nuevos formatos de ensayo y conocimientos inmunoquímicos aplicados a la tecnología de disco compacto, aportando nuevas herramientas de screening que permiten la determinación simultánea de contaminantes en aguas naturales por debajo de las concentraciones establecidas en la normativa europea de calidad de agua. / [CA] La contaminació d'aigües superficials causada principalment per plaguicides i altres productes industrials és un dels grans problemes mediambientals actuals. Malgrat que aquestes substàncies estan presents en nivells molt baixos, tenen efectes perjudicials en humans i animals. Per aquest motiu, diferents institucions estatals han regulat els nivells de contaminants en àrees de control de la qualitat de l'aigua, creant llistes prioritàries de substàncies perilloses i tòxiques per al medi ambient. Actualment, la monitorització dels contaminants inclosos en les llistes oficials es realitza mitjançant tècniques cromatogràfiques i d'espectroscòpia de masses. Aquests mètodes analítics estan aprovats com a tècniques de referència per a la determinació de residus orgànics presents en aigües naturals. Malgrat ser tècniques fiables, reproduïbles i sensibles, els mètodes cromatogràfics no estan exempts d'inconvenients. Aquest tipus de metodologies requereix una instrumentació costosa i una laboriosa preparació de mostres que fan que l'anàlisi sigui, en general, complex. Per això, el desenvolupament de mètodes analítics alternatius que facilitin la possibilitat de fer mesures in-situ a baix cost i amb gran capacitat analítica és de gran utilitat. En aquest sentit, les tècniques inmunoquímiques tenen un gran potencial analític ja que són, en general, sensibles i selectives, es poden utilitzar en el lloc de presa de la mostra i tenen capacitat multianalit. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'un sistema biosensor, basat en la tecnologia de disc compacte, per a la detecció multianalit de diversos contaminants prioritaris en aigües naturals. Les limitacions més crítiques per al desenvolupament d'un biosensor multianalit mitjançant mètodes inmunoquímics són sensibilitat i selectivitat. Per tant, una part important de la tesi es va centrar en la selecció de inmunoreactius, format i optimització de diferents paràmetres clau de l'assaig. La detecció es va dur a terme mitjançant l'ús de nanopartícules d'or com a marcadors de la inmunointeracció i amplificació de la senyal analítica. S'han estudiat diferents estructures d'or (esferes i cilindres) de diferents tamanys, i s'han comparat les seves prestacions analítiques (relació senyal-soroll, sensibilitat, etc.). També s'han desenvolupat immunoassaigs quantitatius sense necessitat d'amplificació del senyal. Per altra banda, s'ha desenvolupat una aproximació que hem denominat "inmunocaptura", basada en l'ús de nanopartícules d'or com a espècie de captura d'analits en dissolució i que actua com a marcador de la inmunointeracció que té lloc en la fase sòlida. Finalment, s'han analitzat mostres d'aigües naturals dopades amb diferents nivells dels analits objecte d'estudi per avaluar la utilitat de les metodologies desenvolupades com a eina de "screening" massiu en l'àrea mediambiental. Els resultats obtinguts han sigut avaluats per comparació amb els obtinguts mitjançant tècniques de referència. Les investigacions realitzades han permès desenvolupar nous formats d'assaig i coneixements inmunoquímics aplicats a la tecnologia de disc compacte, aportant noves eines de "screening" que permetin la determinació de contaminants en aigües naturals per sota dels límits de concentració establerts per les normes internacionals de la qualitat de l'aigua. / Dobosz, PD. (2017). Screening methodologies for the determination of water contaminant residues by compact disk technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79548