Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor
Τhe dynamics of biomolecules in their native solutions have been attracting increasing attention over the last decade and are studied by various techniques. It has been established that those water molecules in close proximity to the biomolecule are dynamically retarded and have different properties...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Μορφή: | Thesis |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2016
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/8986 |
id |
nemertes-10889-8986 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Terahertz (THz) waves THz biosensors Hydration shells Lysozymes Crystallization Denaturation Protein binding Nanobody Detection limit Κύματα Terahertz (THz) ΤΗz βιοαισθητήρες Στρώμα εφίδρωσης του βιο-μορίου Λυσοσώματα Κρυσταλλοποίηση Αποδιαμόρφωση Σύνδεση πρωτεΐνης με αντίσωμα καμήλας Όριο ανίχνευσης 572 |
spellingShingle |
Terahertz (THz) waves THz biosensors Hydration shells Lysozymes Crystallization Denaturation Protein binding Nanobody Detection limit Κύματα Terahertz (THz) ΤΗz βιοαισθητήρες Στρώμα εφίδρωσης του βιο-μορίου Λυσοσώματα Κρυσταλλοποίηση Αποδιαμόρφωση Σύνδεση πρωτεΐνης με αντίσωμα καμήλας Όριο ανίχνευσης 572 Γεωργοπούλου, Στυλιανή Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
description |
Τhe dynamics of biomolecules in their native solutions have been attracting increasing attention over the last decade and are studied by various techniques. It has been established that those water molecules in close proximity to the biomolecule are dynamically retarded and have different properties compared to the outer-lying bulk water. In recent years, the terahertz (THz) spectral region from 300 to 3000GHz has seen a flurry of research activity in the areas of biology and biophysics. The resurgence is stimulated in large part by the rapid growth of new technologies needed to access this region and the unique sensitivity of this radiation to probe weak interand intra-molecular interactions of biomolecules that are involved in all the biomolecular processes. A new biosensing approach based on electromagnetic waves at THz frequencies is described in this Master Thesis. This approach overcomes fundamental limitations of THz radiation which are:
Strong water absorption and lack of efficient active devices, which induce low levels of sensitivity
Long wavelength and limited confinement, which lead to use of excessive sample volumes
The novel THz biosensor used is favored by a versatile detection principle of hydration water dielectric response change to biomolecular processes. For this reason, this approach facilitates a label-free, immobilization-free, non-invasive, non-ionising and real-time biosensing method.
This Master Thesis focus on the high potential of this sensor as a bioanalytical tool in pharmaceutical and medical applications. The THz biosensor performance is evaluated with lysozyme, a large protein via monitoring four biomolecular processes in liquid-phase. Protein conformation is highly correlated with its hydration shell,
which can be detected by THz waves. To elucidate the possible direct probing of biomolecule’s dynamics, concentration study, denaturation, crystallization and protein binding are performed.
The first part of this work is devoted to mechanical and microfluidic alterations performed in order to improve and stabilize the THz sensor’s operation. In the second part, a number of different solutions were prepared in advance and samples of 7μL were exposed to THz analysis. Preliminary results in biomolecule’s concentration and conformation changes are presented and discussed in detail. The lowest detection limit achieved by the THz sensor is of the order of 2.5mg/mL for lysozyme. Conclusions for dielectric permittivity changes due to changes of protein hydration shell during the conformational studies (denaturation, crystallization, antigennanobody
complex) are obscured based on these primary measurements. In a nutshell, the present work corresponds to a primary study for the determination of possible applications of this THz biosensor technique. With further improvements and more experimental results proved its potential, THz sensor is envisioned to be applied in analytical instrumentation for life sciences and pharmaceutical industry. |
author2 |
Κουτσούρης, Δημήτριος |
author_facet |
Κουτσούρης, Δημήτριος Γεωργοπούλου, Στυλιανή |
format |
Thesis |
author |
Γεωργοπούλου, Στυλιανή |
author_sort |
Γεωργοπούλου, Στυλιανή |
title |
Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
title_short |
Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
title_full |
Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
title_fullStr |
Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
title_full_unstemmed |
Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
title_sort |
exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor |
publishDate |
2016 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/8986 |
work_keys_str_mv |
AT geōrgopouloustylianē exploringtargetapplicationsforanovellabelfreeimmobilizationfreebiosensor |
_version_ |
1771297309430120448 |
spelling |
nemertes-10889-89862022-09-05T20:40:56Z Exploring target applications for a novel label-free immobilization-free bio-sensor Γεωργοπούλου, Στυλιανή Κουτσούρης, Δημήτριος Ματσόπουλος, Γεώργιος Τσανάκας, Παναγιώτης Georgopoulou, Styliani Terahertz (THz) waves THz biosensors Hydration shells Lysozymes Crystallization Denaturation Protein binding Nanobody Detection limit Κύματα Terahertz (THz) ΤΗz βιοαισθητήρες Στρώμα εφίδρωσης του βιο-μορίου Λυσοσώματα Κρυσταλλοποίηση Αποδιαμόρφωση Σύνδεση πρωτεΐνης με αντίσωμα καμήλας Όριο ανίχνευσης 572 Τhe dynamics of biomolecules in their native solutions have been attracting increasing attention over the last decade and are studied by various techniques. It has been established that those water molecules in close proximity to the biomolecule are dynamically retarded and have different properties compared to the outer-lying bulk water. In recent years, the terahertz (THz) spectral region from 300 to 3000GHz has seen a flurry of research activity in the areas of biology and biophysics. The resurgence is stimulated in large part by the rapid growth of new technologies needed to access this region and the unique sensitivity of this radiation to probe weak interand intra-molecular interactions of biomolecules that are involved in all the biomolecular processes. A new biosensing approach based on electromagnetic waves at THz frequencies is described in this Master Thesis. This approach overcomes fundamental limitations of THz radiation which are: Strong water absorption and lack of efficient active devices, which induce low levels of sensitivity Long wavelength and limited confinement, which lead to use of excessive sample volumes The novel THz biosensor used is favored by a versatile detection principle of hydration water dielectric response change to biomolecular processes. For this reason, this approach facilitates a label-free, immobilization-free, non-invasive, non-ionising and real-time biosensing method. This Master Thesis focus on the high potential of this sensor as a bioanalytical tool in pharmaceutical and medical applications. The THz biosensor performance is evaluated with lysozyme, a large protein via monitoring four biomolecular processes in liquid-phase. Protein conformation is highly correlated with its hydration shell, which can be detected by THz waves. To elucidate the possible direct probing of biomolecule’s dynamics, concentration study, denaturation, crystallization and protein binding are performed. The first part of this work is devoted to mechanical and microfluidic alterations performed in order to improve and stabilize the THz sensor’s operation. In the second part, a number of different solutions were prepared in advance and samples of 7μL were exposed to THz analysis. Preliminary results in biomolecule’s concentration and conformation changes are presented and discussed in detail. The lowest detection limit achieved by the THz sensor is of the order of 2.5mg/mL for lysozyme. Conclusions for dielectric permittivity changes due to changes of protein hydration shell during the conformational studies (denaturation, crystallization, antigennanobody complex) are obscured based on these primary measurements. In a nutshell, the present work corresponds to a primary study for the determination of possible applications of this THz biosensor technique. With further improvements and more experimental results proved its potential, THz sensor is envisioned to be applied in analytical instrumentation for life sciences and pharmaceutical industry. Τις τελευταίες δεκαετίες αναπτύσσεται ολοένα και περισσότερο η ανάγκη για επακριβή ανίχνευση, συνεχή καταγραφή και ανάλυση των βιολογικών διαδικασιών που διέπουν όλους τους ζώντες οργανισμούς. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην παρακολούθηση της δυναμικής κατάστασης των βιο-μορίων που συμμετέχουν σε αυτές τις διαδικασίες, καθώς έχει αποδειχθεί ότι τα μόρια του νερού γύρω από τα βιο-μόρια παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες σε σχέση με εκείνα του κύριου όγκου του νερού.Τη δυνατότητα αυτή προσφέρουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην κλίμακα των ΤΗz - 300-3000GHz- καθώς επιτρέπουν την ανίχνευση τόσο ασθενών ενδομοριακών αλληλεπιδράσεων όσο και αλληλεπιδράσεων μεταξύ βιο-μορίων μέσα σε φυσιολογικά ρυθμιστικά διαλύματα. Σε συνδυασμό με την αλματώδη πρόοδο τόσο στη μικροηλεκτρονική, όσο και στους κλάδους των βιολογικών επιστημών, η ιδιότητα τους αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη τεχνικών και συστημάτων βασισμένων στο φάσμα των THz, ικανών να καταγράφουν βιολογικές διεργασίες ή να αναλύουν βιολογικές ουσίες. Μία τέτοια καινοτόμος μέθοδος παρουσιάζεται και εφαρμόζεται στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, ξεπερνώντας βασικούς περιορισμούς που θέτει η THz ακτινοβολία. Οι δυσκολίες για την ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος έγκειται στην ισχυρή απορρόφηση του νερού και στην ανεπαρκή απόδοση ενεργών συσκευών, προκαλώντας μείωση της ευαισθησίας του συστήματος και στο μεγάλο μήκος κύματος και στον μη ικανοποιητικό περιορισμό κατά τη διάδοση του κύματος, οδηγώντας έτσι στη χρήση μεγάλων όγκων δείγματος. Περιγράφεται, λοιπόν, και γίνεται χρήση ενός βιοαισθητήρα που λειτουργεί στην κλίμακα των ΤHz ως εργαλείο ανάλυσης βιολογικών ουσιών. Πρόκειται για μία μη επεμβατική και μη ιοντίζουσα τεχνική που παρέχει τη δυνατότητα καταγραφής βιολογικών φαινομένων χωρίς να γίνεται χρήση μεθόδων σήμανσης των βιο-μορίων με ετικέτες ή ακινητοποίησης αυτών σε ειδικές επιφάνειες. Ο βιοαισθητήρας αποτελείται από έναν ορθογώνιο κυματοδηγό, στο κέντρο του οποίου υπάρχει σχισμή. Αυτή δημιουργεί δύο τμήματα, από τα οποία το αριστερό χρησιμοποιείται για τη διέγερση στη ζώνη συχνοτήτων V [44-74GHz] και τη μέτρηση της αντανάκλασης ενώ το δεξί για τη μέτρηση της μετάδοσης του κύματος. Η σχισμή αυτή εξυπηρετεί και ένα δεύτερο σκοπό; την ενσωμάτωση ενός διηλεκτρικού δοχείου στο οποίο εσωκλείονται τα υπό εξέταση υγρά δείγματα όγκου 7μL. Τα δείγματα εγχέονται στο σύστημα μέσω μιας σύριγγας και οδηγούνται μέσω ενός τριχοειδούς σωλήνα στο δοχείο. Σκοπός του παρόντος πονήματος είναι η εύρεση πιθανών εφαρμογών του βιοαισθητήρα για φαρμακευτικές, κλινικές και ιατρικές εφαρμογές. Γι αυτό το λόγο εξετάζονται διαλύματα πρωτεϊνών (λυσοσώματα και νανοαντισώματα καμήλας) με στόχο την παρακολούθηση και καταγραφή διαφορετικών διαμορφώσεων που μπορεί να λάβουν οι πρωτεΐνες. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιούνται τέσσερις διαφορετικές μελέτες που αφορούν σε αλλαγές της συγκέντρωσης των λυσοσωμάτων, σε αποδιαμόρφωση και κρυσταλλοποίηση των λυσοσωμάτων και τέλος στην σύνδεση αυτών με νανοαντισώματα καμήλας. Επιχειρείται ανάλυση των μηχανισμών που καθορίζουν την διαφορετική απόκριση του συστήματος λόγω αλλαγών στη διηλεκτρική σταθερά του διαλύματος καθώς μεταβάλλεται το στρώμα εφίδρωσης του βιο-μορίου.Ειδικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται οι βασικές αρχές που διέπουν την λειτουργία των βιοαισθητήρων, τα είδη και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να πληρούν. Στη συνέχεια αναφέρονται οι ιδιαίτερες ιδιότητες που φέρουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του φάσματος των ΤΗz, οι οποίες τα καθιστούν ικανά να ανιχνεύουν ασθενείς χημικούς δεσμούς. Παρουσιάζεται η νέα μέθοδος ανίχνευσης βιολογικών διαδικασιών όπου βασίζεται ο ΤΗz βιοαισθητήρας και συγκρίνεται με ήδη εφαρμοζόμενες τεχνικές (Συντονισμός επιφανειακών πλασμονίων, μικροθερμιδομετρία). Επεξηγείται η αλληλεπίδρασή των ΤHz κυμάτων με τα βιο-μόρια, τονίζοντας το ρόλο του νερού στο διάλυμα και του στρώματος εφίδρωσης του βιο-μορίου. Τέλος, περιγράφονται θεωρητικά οι βιολογικές διαδικασίες που εξετάζονται στα πλαίσια αυτής της μελέτης (αποδιαμόρφωση πρωτεΐνης, κρυσταλλοποίηση πρωτεΐνης, σύμπλεγμα αντιγόνου-αντισώματος) Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η πειραματική διάταξη του ΤΗz βιοαισθητήρα όπου πραγματοποιήθηκε το σύνολο των μετρήσεων τόσο με σχηματικά διαγράμματα όσο και με φωτογραφικό υλικό. Παρατίθενται τα επιμέρους όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις καθώς και τα αντιδρώντα με τα οποία παρασκευάστηκαν τα δείγματα. Στο τελευταίο μέρος αναλύονται οι διαγνωστικές τεχνικές και το πρωτόκολλο μετρήσεων που εφαρμόστηκε στην εκάστοτε περίπτωση. Στο τρίτο κεφάλαιο υπογραμμίζονται αρχικά τόσο οι μηχανικές όσο και οι ρευστομηχανικές αλλαγές που πραγματοποιήθηκαν στην προσπάθεια βελτιστοποίησης και σταθεροποίησης της λειτουργίας του συστήματος. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται το σύνολο των πειραματικών αποτελεσμάτων. Για τους σκοπούς αυτής της εργασίας πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις απόκρισης του συστήματος για κάθε δείγμα. Ύστερα από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων αυτών, απεικονίζεται η μέγιστη αλλαγή σήματος που σημείωνε το διάλυμα πρωτεΐνης για κάθε είδος διαφορετικής διαμόρφωσης που βρισκόταν υπό εξέταση σε σχέση με το υλικό αναφοράς, το νερό. Στο τέταρτο κεφάλαιο καταγράφονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις επιμέρους μελέτες. Επιτυγχάνεται πολύ χαμηλό όριο ανίχνευσης του βιοαισθητήρα με την τιμή αυτή να ανέρχεται στα 2.5mg/mL για διάλυμα λυσοσώματος. Σημειώνονται ενδεικτικές τιμές της μεταβολής της απόκρισης του συστήματος κατά την παρακολούθηση των τριών διαφορετικών βιολογικών διαδικασιών. Δεν εξάγεται όμως το συμπέρασμα ότι το σύστημα μπορεί να ανιχνεύσει με βεβαιότητα αλλαγές που λαμβάνουν ώρα στο στρώμα ενυδάτωσης της πρωτεΐνης στην εκάστοτε βιολογική διαδικασία, μεταβάλλοντας έτσι τη διηλεκτρική σταθερά του διαλύματος και άρα την τελική απόκρισή του αισθητήρα. Με λίγα λόγια, η παρούσα εργασία αποτελεί μία πρωταρχική μελέτη για τον προσδιορισμό πιθανών εφαρμογών του THz βιοαισθητήρα. Με περαιτέρω τεχνικές βελτιώσεις του συστήματος και μεγαλύτερο όγκο πειραματικών αποτελεσμάτων, που θα αναδεικνύουν τις τεράστιες δυνατότητές του, ο THz βιοαισθητήρας θα μπορεί να εφαρμοστεί ως όργανο ανάλυσης και παρακολούθησης βιολογικών φαινομένων τόσο στον τομέα των βιοεπιστημών όσο και στη φαρμακευτική βιομηχανία. 2016-01-07T06:54:54Z 2016-01-07T06:54:54Z 2015-02-10 Thesis http://hdl.handle.net/10889/8986 en 0 application/pdf |