La memoria de la tesis está organizada en 8 capítulos. Un resumen de cada capítulo se detalla a continuación. El Capítulo 1 es una Introducción, en la que se presenta el estado del arte así como los objetivos de la tesis. En el Capítulo 2 se describe el uso de la impedancia electroquímica a diferentes temperaturas para la discriminación de la mutación DF508 con respecto a la secuencia normal sin mutación. Las sondas de DNA (de 15 y 21 bases de longitud) fueron inmovilizadas en la superficie de los electrodos de oro y de la variación de la resistencia a la transferencia de carga (Rct) fue medida en función de la hibridación. Para la detección se han utilizado dos tipos de secuencias diana: secuencias sintéticas 15 mer y dos análogos sintéticos de productos de PCR de 82 (mutante) y 85 (normal) bases. La hibridación con la secuencia corta resulto en una variaciones de Rct muy específicas a la secuencia estudiada, con un factor de discriminación a temperatura ambiente de 5 veces cuando se comparó la respuesta obtenida con la secuencia totalmente complementaria con respecto a las no coincidentes. Sin embargo, en el caso de los productos de PCR sintéticos de cadena sencilla el factor de discriminación fue menor (1.5 veces). Por ellos, el efecto de la temperatura fue investigado como vía para mejorar la discriminación. El uso de lavados post-hibridación a temperatura elevada dio lugar a una mejora de 5 veces en el factor de discriminación. De esta manera, utilizando arrays de electrodos inmovilizadas con sondas selectivas a las secuencias de tipo mutante y normal, se logró una detección inequívoca de la mutación DF508. En el Capítulo 3 se describe el uso del azul de metileno como indicador electroquímico en la discriminación de la mutación DF508 de fibrosis quística de secuencias normales en productos de PCR. En condiciones experimentales óptimas se obtuvo un factor de discriminación de 1.5 entre el tipo mutante y el normal. El ensayo propuesto es cuantitativo y lineal en el rango de 10 - 100 nM, exhibiendo un límite de detección (LOD) de 2.64 nM. Estudios electroquímicos en distintas condiciones de fuerza iónica permitió elucidar el mecanismo de la interacción de azul de metileno con el DNA y, al parecer, este es el primer reporte sobre la detección de hibridación a través de la interacción guanina específica del MB con de DNA, a diferencia de la interacción electrostática como quedó demostrado en el estudio de la fuerza iónica. La introducción de formamida en el tampón de hibridación para mejorar la discriminación también fue investigada. Por último, a una concentración de 10 nM, la secuencia mutante fue efectivamente discriminada respecto de la normal ajustando los parámetros de configuración de un multi-sensor. el DNA y, al parecer, este es el primer reporte sobre la detección de hibridación a través de la interacción guanina específica del MB con de DNA, a diferencia de la interacción electrostática como quedó demostrado en el estudio de la fuerza iónica. La introducción de formamida en el tampón de hibridación para mejorar la discriminación también fue investigada. Por último, a una concentración de 10 nM, la secuencia mutante fue efectivamente discriminada respecto de la normal ajustando los parámetros de configuración de un multi-sensor. El Capítulo 4 presenta un biosensor electroquímico basado en la discriminación de la mutación DF508 de fibrosis quística de secuencias normales en productos de PCR sintéticos. Para ello se empleo una sonda tipo faro molecular de 34 pares de bases complementaria a la mutación DF508 inmovilizada en la superficie de un electrodo de oro y azul de metileno como indicador electroquímico, el cual interacciona con el extremo 5' del faro molecular. La inmovilización del faro molecular en la superficie del electrodo de oro se logró a través un derivado tiolado en el extremo 3' para formar un enlace S-Au en la superficie del electrodo. El efecto de diferentes tipos de tampón (PBS, PBS-T, CSE, HEPES y Trizma) fue investigado. Dos mecanismos de inmovilización fueron examinados en este trabajo: co-inmovilización e inmovilización en dos etapas ("backfilling") con el objetivo de determinar el procedimiento que más tarde sería mejor para la estabilidad de la sonda. También se estudió la temperatura de fusión de la sonda obteniéndose un valor de 31.5ºC, lo cual asegura la estabilidad de la sonda a temperatura ambiente. El tiempo optimo del proceso de hibridación fue de 20 minutos, lo cual segura un ensayo rápido. En condiciones experimentales óptimas se obtuvo un factor de discriminación de 2.5 entre la secuencia mutante y la normal. En el Capítulo 5 se presenta un método para la determinación precisa de la temperatura de fusión (Tm) de secuencias de DNA de doble hebra inmovilizadas que explota las propiedades de extinción de fluorescencia de superficies de oro. Para ello se empleo una sonda de DNA de cadena simple tiolada quimisorbida en la superficie de oro que se híbrida a una secuencia complementaria marcada con un fluoróforo. Tras la formación del dúplex, la fluorescencia de la etiqueta se extingue de manera efectiva por la superficie de oro. Al aumentar la temperatura y deshibridarse el dúplex, el fluoróforo se mueve lejos de la superficie del oro y la señal de fluorescencia se recupera de nuevo. De esta manera el aumento de la fluorescencia se mide cuando temperatura se eleva de secuencias relacionadas a la mutación DF508 se determinaron en tres formatos: en disolución, inmovilizados en nanopartículas de oro (Au-NPs) y en chips de oro (Au-chips). progresivamente y graficando la primera derivada de la variación e fluorescencia con respecto a la temperatura se determina Tm. Para demostrar este el enfoque, los valores de Tm En el Capítulo 6 se introduce una propuesta de discriminación de la mutación DF508 basada en la modificación del DNA a determinar con la etiqueta redox. Para ello se preparó un conjugado de ferroceno con la secuencia mutante (Mut-Fc) que se hibrida con dos posibles secuencias complementarias inmovilizadas en una superficie de oro, una con complementaridad total y otra conteniendo 3 bases no coincidentes. Las diferencias en las señales del ferroceno entre los dos métodos de hibridación se han mejorado estudiando las variaciones de la temperatura de fusión, obteniéndose alrededor de 8 ºC de diferencia en los valores de Tm entre ambas secuencias. La mejor discriminación se obtuvo a 40 ºC, en la que la sonda respecto a la secuencia normal dio una respuesta cercana a cero. Este resultado indica que es posible etiquetar las sondas de PCR con ferroceno con el fin de obtener muestras de DNA real marcadas, lo cual haría posible distinguir entre secuencias mutantes y normales mediante medidas de la temperatura de fusión. En Capítulo 7 se discute un ensayo basado en mediciones de temperatura de fusión empleando azul de metileno como indicador electroquímico en la discriminación de la mutación DF508 de fibrosis quística de secuencias normales en productos de PCR sintéticos. La sonda complementaria mutante inmovilizada en la superficie de electrodos de oro resultó ser térmicamente estable hasta 70 ºC. La influencia de la fuerza iónica sobre la estabilidad del sistema también se estudió, siendo 0.5 M la concentración de NaCl óptima. El factor de discriminación entre las secuencias de tipo mutante y normal mejoró de 1.1 a 27 ºC hasta 4.26 a 55 ºC. El valor calculado de la temperatura de fusión del dúplex mutante con la secuencia complementaria inmovilizada sobre la superficie del electrodo de oro estuvo de acuerdo con la ecuación de Wallace. El efecto en la estabilidad de dúplex en términos de temperatura de fusión de secuencias laterales situadas en el mutante también fue investigado. Finalmente, en el Capítulo 8 se presentan las conclusiones principales del trabajo de esta tesis y el trabajo futuro.

Al camp alimentari hi ha una creixent demanda de metodologies analítiques que siguin ràpides, selectives i econòmiques, que permetin la detecció de diferents contaminants alimentaris per a garantir la seguretat del producte al llarg de la cadena alimentària de producció. En aquest context, els biosensors electroquímics s'alcen com a candidats ideals com alternativa a la instrumentació analítica convencional per a l'anàlisi fora de l'àmbit del laboratori. En aquesta tesi es van desenvolupar nous dissenys biomoleculars basats en biosensors electroquímics per a la seguretat alimentària abordant tres aspectes crítics dels dispositius biosensors, que convergeixen cap a la simplificació metodològica: la immobilització orientada del biomaterial, la marcació i la transducció del senyal electroquímic. Donada l'experiència del nostre grup d'investigació en la fabricació de compòsits de grafit-epoxi (GEC) i els avantatges electroquímics demostrats d'aquest material, es van construir nous transductors electroquímics basats en compòsits rígids per a la immobilització orientada de biomolècules per aconseguir la simplificació metodològica en la detecció de DNA i immunoespècies. Els nous transductors construïts es van basar en: i) biocompòsits de grafit-epoxi modificats en volum amb la proteïna avidina (Av-GEB), i ii) compòsits amb un element magnètic integrat (m-GEC). Els biocompòsits d'avidina constitueixen una plataforma universal per a la immobilització directa orientada de material biològic biotinilat, mitjançant la forta unió avidina-biotina. El propi transductor actua com a reservori de material biològic i es pot renovar amb un simple procediment de polit, obtenint una nova superfície per cada assaig. Els magneto elèctrodes permeten la integració de partícules magnètiques als procediments biosensors per tal de realitzar les reaccions biològiques de biorreconeixement en solució, reduint la complexitat de la matriu de les mostres i preconcentrant l'anàlit, obtenint així, una detecció més sensible. Es va dissenyar una nova estratègia de detecció de DNA provinent de mostres reals dels bacteris patògens Salmonella i Escherichia coli, mitjançant la incorporació d'encebadors marcats a la mescla de reacció de la PCR. A part d'amplificar la quantitat de DNA, es va aconseguir marcar doblement el producte amplificat amb biotina i digoxigenina, per aconseguir la immobilització posterior a partícules magnètiques recobertes d'estreptavidina o Av-GEB i la unió d'un conjugat enzimàtic (antiDIG-HRP) per a detectar el producte amplificat. Així es van obtenir uns protocols simples, ràpids i molt sensibles. Aquests protocols van proporcionar límits de detecció més baixos en comparació amb la tècnica clàssica de gel d'electroforesi i la PCR quantitativa amb sistema TaqMan. També es van obtenir resultats molt prometedors incorporant a la PCR un encebador magnètic, encebador unit a partícules magnètiques. Així, es va aconseguir l'amplificació directa a la superfície de les partícules magnètiques, simplificant la metodologia. Aquesta estratègia presenta potencial aplicabilitat per a la detecció directa electroquímica de productes amplificats al termociclador de la PCR. A l'últim bloc de la tesi es va desenvolupar una estratègia immunosensora simplificada amb detecció electroquímica, en la que l'haptè es va immobilitzar a partícules magnètiques recobertes de grups químics tosil, formant un enllaç covalent amb la molècula de naturalesa haptènica. Amb aquesta estratègia es va aconseguir quantificar l'àcid fòlic en mostres cegues de llet enriquida, obtenint valors de recuperació propers al 100%; i quantificar l'àcid fòlic en mostres reals de llet enriquida, obtenint valors molt propers als indicats a la composició dels productes. / The control of food quality along the food production chain has become of growing interest since the increasing incidence of food poisoning is a significant public health concern for customers worldwide. The development of new analytical methodologies with the advantages of rapid response, selectivity and low-cost is still a challenge for food hygiene inspection. Biosensors offer an exciting alternative to the traditional methods allowing decentralised analysis. Novel biomolecular approaches in electrochemical biosensing were developed in this thesis. The main features of these novel biosensing devices were focused on the integration of processes and the methodological simplification. These tasks were achieved considering the main critical aspects of biosensors design: the orientated immobilization of the biorecognition element, the labelling process to achieve the analytical signal and finally, the electrochemical transduction. Novel electrochemical transducers based on graphite-epoxy composites (GEC) were developed. The enhanced electrochemical properties of GEC material has been demonstrated previously in our research group. The novel transducers based on rigid composites were used for the simplified and oriented immobilization of biomolecules such as DNA and immunospecies. The new transducers developed were: i) graphite-epoxy biocomposites bulk-modified with avidin (Av-GEB), and ii) magneto electrodes based on graphite-epoxy composite (m-GEC). Avidin biocomposites can be considered as universal platforms for the oriented immobilization of biotinilated biomolecules, through the strong interaction between avidin and biotin. This biocomposite material acts not only as the electrochemical transducer but also as a reservoir for the biological material, being able to be easily renewed by a polish treatment, obtaining a new surface for each assay. The m-GEC magneto electrodes allow the integration of magnetic particles in biosensing procedures. The biorecognition reaction can thus be effectively performed in solution, reducing the matrix effect of the sample and preconcentrating the analyte, as a result these factors enhance the sensitivity of the detection. A sensitive, rapid and user-friendly strategy for the genetic detection of the main food pathogens - Salmonella and Escherichia coli- was designed. This approach was based on a double-tagging PCR by using two labelled primers, followed by electrochemical genosensing of the double-tagged amplicon. During PCR, not only the amplification of the genetic material was achieved, but also the double-labelling of the amplicon ends with both biotin and digoxigenin tags, in order to achieve the immobilization of the amplicon on streptavidin-modified beads or Av-GEB electrodes as well as the binding of an enzymatic conjugate (antiDIG-HRP) for the electrochemical detection. Better results were achieved in terms of limit of detection compared with the classic gel electrophoresis as well as quantitative PCR based on TaqMan probes. Promising results were also obtained with the use of a novel magnetic primer, primer bound to magnetic beads. This approach allows the DNA direct amplification on streptavidin magnetic beads surface. This strategy showed potential applicability for the direct electrochemical detection of the amplified products in the PCR termocycler. Finally, a simple immunosensing strategy with electrochemical detection was developed. In this case, the haptenic molecule was covalently immobilised on tosylactivated magnetic beads. The utility of this strategy was demonstrated for folic acid detection in spiked milk samples, obtaining recovery values around 100%. Moreover, folic acid was also quantified in real enriched milk samples showing results according to the expected labelled values.

La enfermedad celíaca (EC) es una inflamación del intestino delgado, que afecta a individuos genéticamente susceptibles, provocada por la ingestión de algunos cereales. La prevalencia de EC en Europa y los EE.UU. es de aproximadamente 1%. La mayoría de los casos de CD sin diagnosticar durante muchos años porque de espectro clínico es muy variable y presentación atípica. La prueba estándar de oro para el diagnóstico de EC es la biopsia del intestino delgado, una prueba invasiva y costosa. Fuerte relación entre la CD y antígenos leucocitarios humanos (HLA) se ha demostrado, con un 95% de los pacientes con EC portadores del antígeno HLA DQ2 heterodímero y el 5% llevan DQ8 heterodímero. Personas negativos DQ2 y DQ8 han demostrado ser muy poco probable que desarrollen CD. El objetivo general de la tesis es el desarrollo de una manera rápida, fácil de utilizar, rentable matriz genosensor de diagnóstico para DQ2/DQ8 escribir como una herramienta de diagnóstico para la predisposición de CD. Dos métodos diferentes han sido investigados en paralelo. En el primer método, la matriz genosensor se desarrolló empleando el método SSOP, mediante el diseño de sondas diferentes alelos específicos. Mientras que en el segundo enfoque, la técnica SSP explotar un nuevo enfoque para la detección directa y rápida de una doble cadena de amplificación de PCR se investigó. En ambos métodos, condiciones de ensayo fueron optimizadas y finalmente el análisis de muestras clínicas reales se realizó. / Coeliac disease (CD) is a small intestinal inflammation, affecting genetically susceptible individuals, triggered by ingestion of certain cereals. Prevalence of CD in Europe and US is about 1%. Most of CD cases remain undiagnosed for many years because of highly variable clinical spectrum and atypical presentation. The gold standard test for CD diagnosis is the small-intestinal biopsy, an invasive and expensive test. Strong relation between CD and Human Leukocyte Antigens (HLA) has been proved, as 95% of the CD patients carrying HLA DQ2 heterodimer and 5% carrying DQ8 heterodimer. DQ2 and DQ8 negative individuals have been shown to be very unlikely to develop CD. The overall objective of the thesis is to develop a rapid, ease to use, cost effective diagnostic genosensor array for DQ2/DQ8 typing as a diagnostic tool for CD predisposition. Two different methods have been investigated in parallel. In the first method, the genosensor array was developed employing the SSOP method, by designing different allele specific probes. Whilst in the second approach, the SSP technique exploiting a novel approach for the direct and rapid detection of a double stranded PCR amplicon was investigated. In both approaches, assay conditions were optimised and finally analysis of real clinical samples was performed.

Embora exista considerável progresso na área de biossensores, ainda é primordial aprimorar muitos desses dispositivos. Este trabalho tem por objetivo contribuir para o contínuo crescimento dos biossensores a base de enzimas e de moléculas de DNA, sendo dois biossensores eletroquímicos descritos. O primeiro trata-se de um biossensor enzimático utilizando tirosinase (Tyr) imobilizada por intermédio de cistamina (CYS) e glutaraldeído (GA) para a detecção de compostos fenólicos. Eletrodos de carbono impressos (SPCE) foram modificados com nanobastões de ouro (AuNRs) em filme de poli(amido amina) (PAMAM) geração 4 para o favorecimento da transferência direta de elétrons (DET) entre o eletrodo e o sítio ativo da enzima. Para caracterizar os AuNRs e AuNRs-PAMAM, espectroscopia de absorção no UV-Visível, espalhamento de luz dinâmico (DLS) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) foram empregadas. As etapas do biossensor foram estudadas por voltametria cíclica e linear, amperometria e microscopia de força atômica (AFM) na presença de dois analitos: catecol (CAT) e dopamina (DA). A faixa linear para CAT foi de 2,8 a 30,3 μmol L-1 com um limite de detecção (LD) de 1,0μmol L-1 enquanto para a DA, a faixa linear foi de 27,8 a 448,7 μmol L-1 e LD de 10,0 μmol L-1. Além de apresentar ótima resposta frente a possíveis interferentes, o sensor também mostrou excelente desempenho em amostras reais, que atrelados aos testes de repetibilidade e reprodutibilidade mostram a estabilidade e acurácia do biossensor. O segundo sensor, trata-se de um sensor de DNA impedimétrico em eletrodo de ouro para a detecção da mutação c.68_69del relacionada à predisposição ao câncer de mama. A imobilização da sequência de captura (SH-ssDNA) no eletrodo ocorreu pela ligação ouro-enxofre (Au-S) e o modelo de hibridização escolhido foi a hibridização direta. O genossensor distinguiu eficientemente entre as sequências alvo (tarDNA) e não-complementar (ncsDNA), apresentando faixa linear de 1,0 a 200,0 nmol L-1 e LD de 0,14 nmol L-1. Os resultados sugerem que ambos biossensores têm potencial e que as estratégias propostas são promissoras para o desenvolvimento de outros biossensores. / Despite a considerable progress in the area of biosensors, it is still crucial to improve most of these sensors. This study aims to contribute to the ongoing growth of enzyme- and DNA-based biosensors, being described two electrochemical biosensors. The first one is an enzyme-based biosensor with immobilized Tyrosinase (Tyr), through cystamine (CYS) and glutaraldehyde (GA), for detection of phenolic compounds. Screen-printed carbon electrodes (SPCE) were modified by gold nanorods (AuNRs) stabilized with poly(amide amine) PAMAM generation 4 to facilitate direct electron transfer (DET) between electrode and enzyme active site. AuNRs and AuNRs-PAMAM were characterized using UV-Visible absorption spectroscopy, dynamic light scattering (DLS) e scanning electron microscopy (SEM). Biosensor stages were studied by cyclic and linear voltametry, amperommetry and atomic force microscopy (AFM) and tested agains two analytes: catechol (CAT) and dopamine (DA). Detection limit (LD) for CAT is 1 μmol L-1 and linear range from 2.8 to 30.3 μmol L-1, for DA, LD is 10.0 μmol L-1 and linear range 27.8 to 448.7 μmol L-1. Besides, the biosensor shows great response in the presence of interferents, it also had an excellent performance in real samples that along with repeatability and reproducibility tests indicate stability and accuracy of the biosensor. The second sensor is an impedimetric DNA sensor prepared on gold electrode to detect c.68_69del mutation related to breast cancer predisposition. Capture sequence (HS-ssDNA) immobilization occurred due to gold-sulfur bond (Au-S) and direct hybridization was the chosen hybridization model. The genosensor was able to distinguishing between target sequence (tarDNA) and non-complementary sequence (ncsDNA) and linear range and LD were found to be 1.0 to 200.0 nmol L-1 and 0.14 nmol L-1, respectively. Results suggest both biosensors have potential and proposed strategies are promising for other biosensors development.

This thesis demonstrates the application of biosensor technology for molecular biology investigations, utilizing a surface plasmon resonance based optical device for mass sensitive detection of biomolecular interactions at a chipsurface. Oligonucleotide model systems were designed for analysis of the action of DNA manipulating enzymes. DNA ligation, DNA cleavage and DNA synthesis could be quantitatively monitored in real-time. A protocol for DNA minisequencing was also established based on prevention of chain elongation by incorporation of chain-terminators. Determinations of affinities for short oligonucleotides hybridizing to an immobilized target were performed with various sequence content, length, temperature and degree of complementarity. The decrease in affinity for hybridizations involving mismatch situations was found to be strongly dependent on the relative position of the mismatch. Interestingly, also end-mismatches were clearly detectable. The stabilization effect achieved upon co-hybridization of two adjacently annealing short oligonucleotide modules (modular primer effect) was also investigated for different module combinations and hybridization situations. The modular concept of hybridizations was subsequently demonstrated to result in enhanced Capture of single stranded PCR products. The sequence based DNA analysis, first introduced with oligonucleotide modelsystems, was extended to the scanning and screening formutations in PCR amplified DNA from clinically relevant samples. Several different formats were investigated, eitherwith the PCR products immobilized on the chip and oligonucleotides injected or vice versa. Again, mismatch discrimination could be observed for wild type and mutant specific oligonucleotides hybridizing to the targets. The experimental set-up for mutation detection was further developed by the introduction of a subtractive mismatch sensitive hybridization outside the instrument and a subsequent determination of the relative amounts of remain ingoligonucleotides with analytical biosensor monitoring of hybridizations between fully complementary oligonucleotides. In conclusion, the applied technology was found to be a suitable tool for a wide range of molecular biology applications, with emphasis on hybridization analysis and mutation detection. / QC 20100611

Embora exista considerável progresso na área de biossensores, ainda é primordial aprimorar muitos desses dispositivos. Este trabalho tem por objetivo contribuir para o contínuo crescimento dos biossensores a base de enzimas e de moléculas de DNA, sendo dois biossensores eletroquímicos descritos. O primeiro trata-se de um biossensor enzimático utilizando tirosinase (Tyr) imobilizada por intermédio de cistamina (CYS) e glutaraldeído (GA) para a detecção de compostos fenólicos. Eletrodos de carbono impressos (SPCE) foram modificados com nanobastões de ouro (AuNRs) em filme de poli(amido amina) (PAMAM) geração 4 para o favorecimento da transferência direta de elétrons (DET) entre o eletrodo e o sítio ativo da enzima. Para caracterizar os AuNRs e AuNRs-PAMAM, espectroscopia de absorção no UV-Visível, espalhamento de luz dinâmico (DLS) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) foram empregadas. As etapas do biossensor foram estudadas por voltametria cíclica e linear, amperometria e microscopia de força atômica (AFM) na presença de dois analitos: catecol (CAT) e dopamina (DA). A faixa linear para CAT foi de 2,8 a 30,3 μmol L-1 com um limite de detecção (LD) de 1,0μmol L-1 enquanto para a DA, a faixa linear foi de 27,8 a 448,7 μmol L-1 e LD de 10,0 μmol L-1. Além de apresentar ótima resposta frente a possíveis interferentes, o sensor também mostrou excelente desempenho em amostras reais, que atrelados aos testes de repetibilidade e reprodutibilidade mostram a estabilidade e acurácia do biossensor. O segundo sensor, trata-se de um sensor de DNA impedimétrico em eletrodo de ouro para a detecção da mutação c.68_69del relacionada à predisposição ao câncer de mama. A imobilização da sequência de captura (SH-ssDNA) no eletrodo ocorreu pela ligação ouro-enxofre (Au-S) e o modelo de hibridização escolhido foi a hibridização direta. O genossensor distinguiu eficientemente entre as sequências alvo (tarDNA) e não-complementar (ncsDNA), apresentando faixa linear de 1,0 a 200,0 nmol L-1 e LD de 0,14 nmol L-1. Os resultados sugerem que ambos biossensores têm potencial e que as estratégias propostas são promissoras para o desenvolvimento de outros biossensores. / Despite a considerable progress in the area of biosensors, it is still crucial to improve most of these sensors. This study aims to contribute to the ongoing growth of enzyme- and DNA-based biosensors, being described two electrochemical biosensors. The first one is an enzyme-based biosensor with immobilized Tyrosinase (Tyr), through cystamine (CYS) and glutaraldehyde (GA), for detection of phenolic compounds. Screen-printed carbon electrodes (SPCE) were modified by gold nanorods (AuNRs) stabilized with poly(amide amine) PAMAM generation 4 to facilitate direct electron transfer (DET) between electrode and enzyme active site. AuNRs and AuNRs-PAMAM were characterized using UV-Visible absorption spectroscopy, dynamic light scattering (DLS) e scanning electron microscopy (SEM). Biosensor stages were studied by cyclic and linear voltametry, amperommetry and atomic force microscopy (AFM) and tested agains two analytes: catechol (CAT) and dopamine (DA). Detection limit (LD) for CAT is 1 μmol L-1 and linear range from 2.8 to 30.3 μmol L-1, for DA, LD is 10.0 μmol L-1 and linear range 27.8 to 448.7 μmol L-1. Besides, the biosensor shows great response in the presence of interferents, it also had an excellent performance in real samples that along with repeatability and reproducibility tests indicate stability and accuracy of the biosensor. The second sensor is an impedimetric DNA sensor prepared on gold electrode to detect c.68_69del mutation related to breast cancer predisposition. Capture sequence (HS-ssDNA) immobilization occurred due to gold-sulfur bond (Au-S) and direct hybridization was the chosen hybridization model. The genosensor was able to distinguishing between target sequence (tarDNA) and non-complementary sequence (ncsDNA) and linear range and LD were found to be 1.0 to 200.0 nmol L-1 and 0.14 nmol L-1, respectively. Results suggest both biosensors have potential and proposed strategies are promising for other biosensors development.

Magister Scientiae - MSc / Cancer, the second most common cause of death after heart disease, is a complex and multifactorial disease that up to date is still under extensive research. To achieve early detection of cancer disease the discovery of specific, sensitive and reliable biomarkers is required. Telomerase is a ribonucleo-protein complex that has been identified as an important target for cancer diagnostics and cancer therapy, because 85% of more than 950 primary tumours express telomerase activity. The standard method for the detection and quantification of telomerase activity is the polymerase chain reaction (PCR)-based assay known as the telomeric repeat amplification protocol (TRAP) assay. TRAP and other methods developed for telomerase detection have limitations for example its time consuming, requires complicated machinery, expensive equipment and reagents thus there is a need for a more sensitive, reliable and high-throughput method. Electrochemical biosensors are quickly emerging as an alternative for early detection of cancer because they can be designed to detect developing cancer biomarkers and to allow improved monitoring of cancer growth and patient therapy. This research study reported for the first time the successful fabrication and implementation of highly sensitive 3-mercaptopropionic acid indium telluride quantum dots (3MPA-In2Te3 QDs) based genosensor for detection of telomerase biomarker. The colloidal poly-dispersed 3MPA-In2Te3 QDs introduced into the genosensor system were successfully synthesized by a simple, inexpensive and reproducible aqueous method. The as prepared 3MPA-In2Te3 QDs was characterized by Ultraviolet Visible (UV-VIS) spectroscopy, Fluorescence (FL) spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and High Resolution Transmission/Scanning Electron Microscopy (HR TEM/SEM). Electro-analysis of 3MPA-In2Te3 QDs was done by Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). HR-TEM studies revealed formation of small sized QDs about 6 nm in diameter while UV-VIS studies showed presence of iv absorption peaks in the ultraviolet region (100-400 nm) which confirmed the formation of these small sized QDs. The good electrochemical, optical, physical and chemical properties of the 3MPA-In2Te3 QDs allowed them to be used as a mediating platform between deoxyribonucleic acid (DNA) and gold electrode (AuE). The successful detection of telomerase was achieved by hybridization process between the probe single stranded deoxyribonucleic acid (ssDNA) drop coated on the 3MPA-In2Te3 QDs/AuE surface and its complementary ssDNA in biological buffer solution (0.10 M tris-ethylenediamine tetraacetic acid (TE) buffer solution, pH 8.00). The response of the 3MPA-In2Te3 QDs based genosensor towards different concentration of complementary ssDNA was studied by CV, square wave voltammetry (SWV) and EIS. It was observed that all three analytical techniques exhibited good linearity since their linear correlation coefficients (R2) corresponded to 0.99. However, it was observed that EIS was the best technique for the detection of telomerase compared to both CV and SWV since it showed a higher sensitivity (2.44 Ω/nM) towards detecting telomerase with a detection limit as low as 0.00014 ng/mL. Control experiments were also carried out by monitoring the hybridization process in the presence and absence of complementary ssDNA and it was determined that the QDs based genosensor was highly selective towards complementary ssDNA. In view of the attractive analytical characteristics and advantages, the ultimate goal of the developed QDs based genosensor is to apply it in real clinical samples of cancer cells or bodily fluids of cancer patients for the detection of telomerase cancer biomarker.

A novel electrochemical genosensor with modified graphite with poly(4-aminophenol) has been constructed for detection of neuroblastoma, a malignant tumor originating from embryonic precursor cells of the sympathetic nervous system and associated with the amplification MYCN oncogene. The produced genosensor exhibited distinct electric and morphological properties using rhodamine b, specie able to bind with DNA duplex, as indicator of the hybridization process. The detection limit was evaluated to be 0.47 umol.L-1 (N=3) and showed very high selectivity for the complementary DNA using serum sample. This DNA sensing platform was successfully applied to detect the MYCN, an important biomarker for neuroblastoma / Um novo genossensor eletroquímico de grafite modificado com poli (4-aminofenol) foi construído para a detecção de neuroblastoma, um tumor maligno originário a partir de células precursoras embrionárias do sistema nervoso simpático, e associado com a amplificação do oncogene MYCN. O genossensor produzido exibiu propriedades elétricas e morfológicas distintas, utilizando rodamina B, espécie capaz de se ligar com a fita dupla de DNA, como indicador do processo de hibridação. O limite de detecção obtido foi de 0,47 μmol.L-1 (N = 3) e mostrou maior seletividade para o DNA complementar, utilizando amostras de soro. Esta plataforma de detecção de DNA foi aplicada com sucesso para detectar a MYCN, um biomarcador importante para o neuroblastoma / Mestre em Genética e Bioquímica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this study we investigated the electropolymerization isomers hydroxyphenylacetic acid, for their application in the construction of polymeric systems, by immobilizing synthetics molecules for development of biological sensors. The graphite electrodes electrochemically modified were characterized for morphology and electrochemical behavior showing that the poly(2-hydroxyphenylacetic acid), poly(3-hydroxyphenylacetic acid) and poly(4-hydroxyphenylacetic) are electroactive, and the latter showed a lower yield in electrosynthesis in agreement with the images of atomic force microscopy showed that the surface of graphite electrodes were changed less with this material compared to its isomers. The electrochemical impedance spectra of poly (4-hydroxyphenylacetic acid) showed that this material is more resistive with respect to its other isomers which are more conductive in accordance with the values of current and voltage shown by tests ion exchange the probes positive and negative. The ratio between the masses electrodeposited and the loads required to carry out the redox process these materials remained constant demonstrating that the same number of electrons are involved in reduction and oxidation of these materials according to the diagnostic reversibility applied by cyclic voltammetry are unanimously reversible systems, however poly(3-hydroxyphenylacetic acid) was more stable during repeated cycling electrochemically in perchloric acid. The optimized tridimensional structures justify the electrochemical and morphologic behavior of these three platforms, wherein the poly(2-hydroxyphenylacetic acid) and poly(3-hydroxyphenylacetic acid) have structures with a more ordered arrangement, unlike poly(4-hydroxyphenylacetic acid), which has a rather more disordered structure and therefore more resistive, while isomers are more conductors. The mechanistic proposal begins with the anodic oxidation of monomers whose square wave voltammetry experiments showed the loss of an electron. The couplings between cation radicals promote a formation of ether leaving the acetate groups exposed on the structure. The pairing occurs between the phenolic oxygen and carbon of the aromatic ring whose potential were studied by spin density and consistent with the resonance structures of the cation-radical that are in the suggested mechanisms. In tests incorporation of nitrogenous bases found that poly(3-hydroxyphenylacetic acid) also proved more effective in the retention of the same and for this reason associated with their better electrochemical behavior described above, it was selected among others for applying isomers polimeric systems by immobilizing synthetics molecules by physical adsorption. In the first system froze synthetic oligonucleotides that mimic fragments of DNA from the bacterium Neisseria meningitidis able to recognize their genomic DNA in samples of pure cultures by differential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, and this latter showed a better response sensitivity signal in relation to the increasing concentration of the target. In the second system, there immobilization of synthetic peptides compatible to the cell membrane of Anaplasma marginale able to selectively recognize antibodies in their sera samples from cattle. The images made by atomic force microscopy of the two procedures backing the effective recognition of both polimeric systems developed for the detection of Neisseria meningitidis and Anaplasma marginale bacteria causing bacterial meningitis and bovine anaplasmosis, respectively. / Neste trabalho foi investigada a eletropolimerização dos isômeros do ácido hidroxifenilacético, visando sua aplicação na construção de sistemas poliméricos, através da imobilização de moléculas sintéticas para o desenvolvimento de sensores biológicos. Os eletrodos de grafite eletroquimicamente modificados foram caracterizados quanto à morfologia e o comportamento eletroquímico, evidenciando que o poli(ácido 2-hidroxifenilacético), poli(ácido 3-hidroxifenilacético) e poli(ácido 4-hidroxifenilacético) são eletroativos, sendo que este último apresentou um menor rendimento em massa na eletrossíntese, em concordância com as imagens de microscopia de força atômica, que mostraram que a superfície dos eletrodos de grafite foram menos alteradas com este material em relação aos seus isômeros. Os espectros de impedância eletroquímica do poli(ácido 4-hidroxifenilacético), mostraram que esse material é mais resistivo em relação aos seus outros isômeros que são mais condutores em concordância com os valores de corrente e potencial evidenciados nos ensaios de troca iônica nas sondas positiva e negativa. A relação entre as massas eletrodepositadas e as cargas necessárias para realizar o processo redox nestes materiais foi constante, indicando que o mesmo número de elétrons está envolvido na oxidação e redução destes materiais, que se comportaram como sistemas reversíveis segundo os diagnósticos de reversibilidade aplicados por voltametria cíclica, todavia o poli(ácido 3-hidroxifenilacético) mostrou-se mais estável eletroquimicamente durante sucessivas ciclagens em ácido perclórico. As estruturas tridimensionais otimizadas justificam o comportamento eletroquímico e morfológico destas três plataformas, em que os poli(ácido 2-hidroxifenilacético) e poli(ácido 3-hidroxifenilacético) apresentam estruturas com um arranjo mais ordenado e por isso são mais condutores ao contrário do poli(ácido 4-hidroxifenilacético) que tem uma estrutura mais desordenada, e por isso mais resistiva. A proposta mecanística inicia-se com a eletrooxidação dos monômeros, cujas investigações experimentais por voltametria de onda quadrada, mostraram a perda de um elétron. Os acoplamentos entre os cátions radicais promovem uma formação de éter deixando os grupos acetato expostos na estrutura. O emparelhamento ocorre entre o oxigênio fenólico e carbonos do anel aromático, cujas possibilidades foram estudadas pela densidade de spin e concordantes com as estruturas de ressonância dos cátions-radicais que estão nos mecanismos sugeridos. Nos testes de incorporação de bases nitrogenadas, verificou-se que o poli(ácido 3-hidroxifenilacético) mostrou-se mais eficiente na retenção das mesmas e por este motivo associado ao seu melhor comportamento eletroquímico, foi selecionado dentre os outros isômeros como o sistema polimérico mais adequado para aplicação nas detecções, através da imobilização por adsorção física de moléculas sintéticas de reconhecimento. No primeiro sistema, imobilizou-se oligonucleotídeos sintéticos compatíveis a fragmentos de DNA da bactéria Neisseria meningitidis, capazes de reconhecer seu DNA genômico em amostras por voltametria de pulso diferencial e espectroscopia de impedância eletroquímica, sendo que esta última mostrou uma melhor sensibilidade de resposta de sinal em relação ao aumento de concentração do alvo. No segundo sistema, ocorreu a imobilização de peptídeos sintéticos compatíveis à membrana celular da Anaplasma marginale, capazes de reconhecer seletivamente seus anticorpos em amostras de soros sanguíneos bovinos. As imagens feitas por microscopia de força atômica, respaldam o reconhecimento eficaz de ambos os sistemas poliméricos desenvolvidos para detecção das bactérias Neisseria meningitidis e Anaplasma marginale, causadores de meningite bacteriana e anaplasmose bovina, respectivamente. / Doutor em Química

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Na presente tese foram desenvolvidas três plataformas para a construção de biossensores visando o diagnóstico molecular da hepatite C, hepatite B e artrite reumatoide, por técnicas eletroquímicas, ópticas e microscópicas, usando amostras reais. Os genossensores para hepatites C e B foram desenvolvidos sobre a superfície de um eletrodo de ouro modificado com nanomateriais, sendo esses o óxido de grafeno e o óxido de grafeno reduzido, respectivamente. Em todos os biossensores propostos a interação da sonda com o alvo foi efetivamente verificada pelas diferentes técnicas. No caso do genossensor para hepatite C, o óxido de grafeno foi modificado quimicamente com etilenodiamina e apresentou limites de detecção e quantificação de 1:483 (v/v) e 1:145 (v/v), respectivamente, usando amostras de soro de pacientes positivos. A interação da sonda específica do HCV: gRNA causou uma redução na amplitude de resposta de corrente de cerca de 2,9 vezes quando comparada ao controle negativo, usando a VPD. O genossensor para a hepatite B a sonda foi imobilizada sobre eletrodo de ouro contendo óxido de grafeno reduzido, ouro descoberto e nanoparticulas de ouro. A análise usando VPD indica que a adição de DNA genômico de HBV provocou um aumento de cerca de 1,4 vezes na amplitude de corrente de pico quando comparado ao controle negativo. Em adição, análises de SPR mostraram que as amostras positivas de HBV resultaram em uma alteração de cerca de 15 vezes em comparação com as amostras negativas. No biossensor desenvolvido para o diagnóstico da artrite reumatoide foi utilizado um eletrodo de grafite modificado com um filme poli(3-hidroxibenzóico), no qual foi imobilizado um peptídeo mimético que reconhece o anticorpo anti-CAIII. O sensor mimético desenvolvido permitiu a distinção entre amostras positivas e negativas para a artrite reumatóide, uma vez que apresentou uma diminuição expressiva no sinal de corrente de cerca de 2,2 vezes, quando comparado ao soro negativo. Assim, foi possível desenvolver plataformas analíticas, seletivas e específicas fornecendo novas abordagens para o diagnóstico clínico e aplicações point-of-care para o monitoramento de doenças inflamatórias e infecciosas. / In the present thesis, three biosensing platforms aiming the molecular diagnosis of hepatitis C, hepatitis B and rheumatoid arthritis were developed by electrochemical, optical and microscopic techniques using real samples. The genosensors for the diagnosis of hepatitis C and B were developed on a gold electrode modified with nanomaterials, being these graphene oxide and reduced graphene oxide, respectively. In all proposed biosensors the interaction of the probe with the target was effectively verified by the different techniques. In the case of the genossensor for hepatitis C, graphene oxide was chemically modified with ethylenediamine and showed limits of detection and quantification of 1:483 (v/v) and 1:145 (v/v), respectively, using serum samples from positive patients. The interaction of the HCV probe and the gRNA caused a reduction in current response amplitude of about 2.9 fold as compared to the negative control, using the DPV. The genossensor for hepatitis B probe was immobilized on a gold electrode containing reduced graphene oxide, gold disks and gold nanoparticles. Analysis using DPV indicates that the addition of HBV gDNA caused an increase of about 1.4 times in peak current amplitude, when compared to the negative control. In addition, SPR analyzes showed that positive samples of HBV resulted in a change of about 15- fold compared to negative samples. In the biosensor developed for the diagnosis of rheumatoid arthritis, a graphite electrode modified with a poly (3-hydroxybenzoic) film was used, in which a mimetic peptide that recognizes the anti-CAIII antibody was immobilized. The developed mimetic sensor allowed the distinction between positive and negative samples for rheumatoid arthritis, since it presented an decrease in the current signal of about 2.2 times, when compared to the negative serum. Thus, it was possible to develop analytical, selective and specific platforms, providing new approaches for clinical diagnosis and point-of-care applications, for the monitoring of inflammatory and infectious diseases. / Tese (Doutorado)