Biosensorer

Denne underside udgør fjerde del af teorien for Biotech Academys materiale om Moderne genteknologi.

Hvad er en biosensor?

Biosensorer benyttes blandt andet til medicinsk diagnostik og miljømålinger – f.eks. til måling af tungmetaller i jord eller til måling af vandkvalitet. De kan være smarte sammenlignet med andre teknologier, da biosensorer ofte er billige at producere og er mere transporterbare ift. testtyper som kræver dyrt udstyr i et laboratorium.

Ved at dele ordet biosensor op vil du nemt kunne forstå, hvad en biosensor er. En sensor er en ting som kan detektere, om noget er til stede. Bio henviser til, at det er noget biologisk som kan detektere noget andet biologisk. Konceptet kan du se på figur 1.

Figur 1: Hvordan biosensor skal forstås som begreb.

Tre kendetegn ved biosensorer:

1. De kan detektere et biologisk produkt – f.eks. et hormon eller et antigen.
2. Benytter et biologisk element til at genkende hormonet/antigenet – det kan f.eks. være et antistof.
3. Ved interaktion mellem de biologiske komponenter er det vigtigt, at biosensoren giver et detekterbart signal – ofte kan dette være en visuel farveændring.

Der findes forskellige typer biosensorer. Overordnet kan der være tale om enten en hel-celle biosensor eller en cell-free biosensor. Se figur 2 og 3, hvor de to forskellige typer sammenlignes.

Figur 2:  Et eksempel på en hel-celle biosensor, hvor der gøres brug af et reportergen til signalering om et molekyle er til stede. Se figur for uddybning.

Figur 3: Her ses en cell-free biosensor som kan bruges til at påvise COVID-19 antigener. Altså viser biosensoren, om man er smittet med COVID-19. a) Testen har tre vigtige områder. Nederst ses området hvor prøven fra en person skal påføres. Derudover er der en testlinje, som giver et farvesignal, hvis der var antistoffer i prøven. Til sidst er der en kontrollinje som vil give et farvesignal uanset om prøven er negativ eller positiv. b) Prøven samt antistofferne som kan binde COVID–19 antigener suges op til testlinjen og kontrollinjen. c) Der kommer farvesignal fra både testlinjen og kontrollinjen, da detektormolekylet vil ende på begge linjer. Overskydende antigen løber blot forbi. d) Kun testlinjen vil give farvesignal.

En vigtig fordel ved cell-free biosensorer er, at de i modsætning til hel-celle biosensorer ikke er genmodificerede organsimer, og derfor ikke vil være underlagt samme regler. En cell-free biosensor er ikke levende, og derved vil der ikke være en risiko for, at den kan påvirke økosystemer som en genmodificeret organisme i værste fald kan. To andre fordele ved at cell-free biosensors ikke er levende; 1) de skal ikke holdes i live og 2) de muterer ikke. Til gengæld er du nødt til at finde en måde hvorpå biologiske interaktioner kan foregå udenfor en organisme, hvis du designer en cell-free biosensor.  Generelt vil en cell-free biosensor ofte være mest oplagt, men der kan være situationer hvor en hel-celle biosensor er god. Det kan du læse mere om i de næste to afsnit.

Eksempel på genetisk design af en hel-celle biosensor 

En hel-celle biosensor er en levende organisme og derfor skal det sikres, at den kan fungere i to stadier: Én hvor den detekterer noget (positivt signal) og én hvor den ikke gør (negativt signal).  

Hos Biotech Academy har vi udviklet en hel-celle biosensor. Det er også den som du så i figur 2. Nu får du yderligere viden om den, men du kan læse meget mere her.

Nedenunder er en video, der forklarer, hvordan hel-celle biosensoren er designet. Den virker ved, at der er blevet indsat et plasmid med nogle bestemte gener.

Hvordan virker en hel-celle biosensor

Anbefaling: se videoen ovenfor før du læser resten af dette delafsnit.

Det grundlæggende koncept med denne biosensor er, at hvis molekylet, acetylsalicylsyre, er til stede omkring bakterien, så vil et reportergen ved navn AmilCP blive udtrykt. Reportergenet koder for et lilla protein. Omvendt kræves det, at AmilCP ikke må udtrykkes, når acetylsalicylsyre ikke er til stede. Denne mekanisme leveres til bakterien, Escherichia coli, via et plasmid.

I emnet før, Genetisk tuning, lærte du, at nogle gener kun kan udtrykkes, hvis aktivatorgener udtrykkes. Det er tilfældet i denne biosensor. Aktivatoren NahR skal udtrykkes samt stabiliseres af acetylsalicylsyre før AmilCP kan udtrykkes. Du kan se hvordan plasmidet er opbygget på figur 4.

Figur 4: Plasmidkort over Case 2 plasmidet. Det ses, at plasmidet indeholder tre gener (grå, lilla og gul), samt et origin of replication (ori) (den sorte prik). Aktivatorgenet og reportergenet er forstørret, så du kan se opbygningen af de to gener. Aktivatorgenet indeholder en kodende sekvens for proteinet NahR, som biosensoren bruger til at sanse acetylsalicylsyre. NahR kan sammen med acetylsalicylsyre binde sig til promotoren foran reportergenet, hvilket gør, at RNA polymerase kan transskribere reportergenet. Reportergenet indeholder en kodende sekvens, som koder for det blålilla farveprotein AmilCP, som biosensoren bruger til at vise, om den sanser acetylsalicylsyre.

To eksempler på hel-celle biosensorer

Der findes ikke mange hel-celle biosensorer, som aktivt benyttes af almindelige mennesker. Det er grundet udfordringer med at hel-celle biosensorer skal være i live og har strengere regulatoriske krav, som beskrevet i det indledende afsnit om biosensorer. Dog bruges hel-celle biosensorer i forskning.

Eksempel 1

Man kan bruge en genmodificeret E. coli til at detektere om andre bakterier, som lever sammen med planter, udskiller molekylet DAPG. Se hvordan på figur 5.

Her hjælper den specielle genmodificerede E. coli med at registrere DAPG–udskillelse fra andre organismer, eftersom E. coli kolonien bliver blå, når den detekterer DAPG. Denne biosensor er meget hurtigere til at konstatere tilstedeværelsen af DAPG, end hvis man skulle benytte maskiner.

Figur 5: Efter at have isoleret forskellige jordbakterier som kan trives nær planter, kan man teste om nogen af disse bakterier beskytter planten mod sygdomme. Hvis bakterien udskiller DAPG er dette nemlig meget muligt, da molekylet kan beskytte planter. Ved at lade en bakterie gro nær en biosensor kan man hurtigt teste, om DAPG bliver udskilt. Hvis det er tilfældet, bliver biosensoren blå.

Eksempel 2

Der er et hel-celle biosensor projekt, som snart har mulighed for at komme ud af laboratoriet og blive brugt af mange mennesker i hele verden. Dem der står bag, er gruppen PlomBOX.  De har stort potentiale ift. at få deres opfindelse masseproduceret. Formålet er at lave en lille transporterbar enhed, som kan måle, om drikkevand indeholder mere bly end grænseværdien på 10 ppb (parts per billion) tillader. Konceptet er vist på figur 6. Inde i PlomBOX enheden er der genmodificerede E. coli celler som udsender forskellig mængde blåt lys afhængigt af koncentrationen af bly fra en vandprøve. Udover E. coli cellerne, er der også et kamera, der kan detektere lysmængden. Enheden tilsluttes en smartphone og ved at benytte den tilhørende app til PlomBOX systemet, kan den på baggrund af intensiteten af blåt lys fortælle brugeren, om drikkevandet er sikkert at drikke. Altså om koncentrationen af bly er lavere eller højere end 10 ppb.

Du kan nok forestille dig at det er svært at holde E. coli celler i live inde i en sådan type transportérbar enhed. Derfor er målet, at E. coli cellerne skal frysetørres før de indsættes i enheden. Når så drikkevandsprøven tilsættes, vil E. coli cellerne blive vakt til live igen og kunne detektere bly i løbet af et par timer. Disse detaljer blev offentliggjort i tidsskriftet Nature i 2025, og du kan klikke ind og læse mere her.

Figur 6: Denne figur viser den opbygningen af en PlomBox enhed. I enheden er der et kamera og tilhørende chip. Kameraet detekterer mængden af blåt lys fra E. coli cellerne. I delen under kameraet er de genmodificerede E. coli celler. De udtrykker et enzym, hvis der er bly til stede. Enzymet kan lave en reaktion der resulterer i det blå molekyle.

Eksempel på en cell-free biosensor som bruges i den virkelige verden

Der findes mange cell-free biosensoerer, med mange forskellige formål. I det her afsnit vil vi forklare hvordan en cell-free biosensor i en graviditetstest virker. Du vil se at den udnytter samme princip som COVID-19 testen i figur 1.

Når en kvinde er gravid, danner hun hormonet choriogonadotropin (hCG). Det er moderkagen, som udskiller hormonet, og moderkagen dannes 6-10 dage efter befrugtningen. Det er også derfor, at en graviditetstest først virker 6-10 dage efter befrugtningen. hCG er vigtigt for fosterudviklingen, og eftersom det cirkulerer i kvindens blod, vil det ende ud i urinen, i takt med at nyren renser blodet. Denne viden kan udnyttes, når man vil lave en cell-free biosensor, som detekterer graviditet. Du kan se på figur 7 hvordan testen fungerer.

Figur 7: Konceptet bag en graviditetstest. Når en urinprøve påføres test-strippen, vil væsken og hCG (hvis det er til stede) bevæge sig igennem testen. I området markeret med rød findes der mobile antistoffer. Den mørkeblå cirkel i enden af hvert antistof er et enzym. Her på figuren har de mobile antistoffer bundet hCG, da der var hCG i urinprøven. Første linje er testlinjen. Her sidder der antistoffer fast, som kan binde hCG. hCG er bundet på de mobile antisoffer og derfor sætter disse sig også fast på testlinjen. Enzymet katalyserer nu en reaktion, som giver testlinjen en farve. Næste linje er kontrollinjen. Her binder de mobile antistoffer sig, som ikke har hCG bundet. Enzymet foretager samme reaktion og derfor får kontrollinjen altid en farve, hvis testen virker.