BİYOSENSÖR KAVRAMI

Tüm canlılar yaşadıkları ortamdaki değişimleri derhal algılayıp yaşamlarını sürdürebilmek için değişimlere uymaya çalışırlar. İşte bu algılama mekanizması biyosensörlerin in vitro kullanımı için temel oluşturmuştur.

Canlılar teknologların hayal bile edemeyeceği duyarlık performansı gösterirler. Örneğin bazı köpeklerin koku almaları insanlardan 100 000 kat daha duyarlıdır. Yılan balıkları tonlarca su içerisine ilave edilen birkaç damla yabancı maddeyi derhal algılarlar. Kelebekler partnerlerinin yaydığı birkaç molekülü bile hissederler. Algler ise zehirli maddelere karşı çok duyarlıdırlar.
Canlılara bu uyarıları algılamayı mümkün kılan biyolojik maddelerin analiz sistemleri ile birleştirilmesi biyosensörleri doğurmuştur.

Sensör: Fiziksel bir özelliği belirleyerek kaydeden cihazdır.
Biyosensör: Biyolojik sistemle kombine edilen sensör sistemleridir.

Biyosensör, biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlardır. Biyosensörler biyoloji, fizik, kimya, biyokimya gibi pek çok bilim alanının bilgi birikiminin multidisipliner bir anlayış çerçevesinde kullanılmasıyla geliştirilmiştir.

BİYOSENSÖRÜN YAPISI VE FONKSİYONU

Biyosensörler biyokomponentler (reseptör) ile fiziksel komponentlerden (transducer) oluşurlar. Biyosensörün görevi biyolojik bir olayın elktriksel sinyale dönüştürülmesidir
Biyosensör sistemi üç temel bileşenden oluşmaktadır. Bunlar, seçici tanıma mekanizmasına sahip “biyomolekül, biyoajan” bu biyoajanın incelenen madde ile etkileşimi sonucu oluşan fiziko kimyasal sinyalleri elektronik sinyaller dönüştürülebilen “çevirici” ve “elektronik” bölümlerdir. Bu bileşenlerden en önemlisi, tayin edilecek maddeye karşı son derece seçimli fakat tersinir bir şekilde etkileşime giren, duyarlı biyolojikajandır. Bir başka değişle biyosensörler, genel olarak analizlenecek madde ile seçimli bir şekilde etkileşime giren biyoaktif bir bileşenin bu etkileşim sonucu ortaya çıkan sinyali ileten bir iletici sistemle birleştirilmesi ve bunların bir ölçüm sistemi ile kombinasyonu ile oluşturulurlar.

Biyokomponentler (biyoajanlar)

Genel olarak biyoajanlar, biyoaffinite ajanları ve biyokatalitik ajanlar olarak iki alt gruba ayrılırlar. Biyoaffinite ajanları olan antikorlar, hormon almaçları, DNA, lektin gibi moleküller antijenlerin, hormonların, DNA parçacıklarının ve glikoproteinlerin moleküler tanımlanmasında kullanılırlar. Kompleks oluşum sonucunda tabaka kalınlığı, kırınım indeksi, ışık eminmesi ve elektriksel yük gibi fizikokimyasal parametrelerin değişimine neden olurlar. Biyokatalitik ajanlar ise, analit üzerinde moleküler değişime neden olmakta ve bu dönüşüm sonucu ortamda azalan yada artan madde miktarı takip edilerek sonuca gidilmektedir. Bu amaçla saf enzim sistemleri, mikroorganizmalar ve bitkisel yada hayvansal doku parçaları kullanılır.

Çeviriciler :

Biyosensörlerin, biyolojik tanıma ajanının bulunduğu “tanıyıcı tabaka” dışında en önemli ikinci kısmı da “çevirici (transdocer)” bölümüdür. Transduserler, reseptörlerin biyolojik reaksiyonunu ölçülebilir fiziksel bir sinyale dönüstürürler. Biyokimyasal reaksiyona göre transduser seçilir. Elektrodlar amperometrik ve potensiyometrik ölçümlerde kullanılır ve burada hedef; maddedir (O2 – elektrodunda çözünmüs O2 , pH elektrodunda H+ iyonu gibi ).Optik sensörlerde hedef ; ısık ,pieozoelektrik sensörlerde ise kristalin salınım rezonansının kütle yüklenimi sebebiyle degismesidir. Bunların dısında transistorler ve termistörler de transduser olarak kullanılmaktadır.

Reseptör İmmobilizasyonu ( Tutuklanması )

Reseptörlerin transduserler üzerinde immobilizasyonu fiziksel ( adsorpsiyon ,polimer matrikste tutuklama vb.) veya kimyasal (kovalent baglama,bi veya multi fonksiyonel reaktifler ile çapraz baglama ) yöntemleri ile gerçeklestirilir. Doku kültürleri , organeller ve mikroorganizmaların immobilizasyonunda daha çok polimer jellerde tutuklama yöntemi kullanılır.Polimer matriksi biyokatalizatörün kaçısını engellerken küçük
substratlar ve ürün moleküllerinin geçisine engel olmaz.

BİYOSENSÖRLERİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI

■Biyosensördeki biyoaktif bileşen sipesifik ve kararlı olmalıdır.

■Biyosensördeki temel reaksiyonun fiziksel paremetrelerden olabildiğince az etkilenmesi gerekir.

■Biyosensör cevaplarının doğru,duyarlı ve tekrarlanabilir olması büyük önem taşır.

■Biosensörde algılayıcı elementin küçük ve bazen biyouyumlu olması beklenir.(örneğin biyoçipler)

■Ölçüm ünitesinin ucuz ve taşınabilir olması değişik alanlarda kullanım imkanı sağlar.

■Biyosensörler düşük maliyette seri olarak büyük miktarlarda üretilibilirler.

Biyosensörik alanda çözülmesi gereken problemler

■Biyokonponentlerin ömrünün kısa olması ,

■ Biyosensör hazırlamanın uzun sürmesi ,

■ Moleküler biyolojik prosesler hakkında yeterli bilgi birikimi olmaması ,

■ Biyokompatibilite sorunları ,

■implante edilebilen sensörlerin steril tutulabilme güçlügü.

BİYOSENSÖRLERİN GENEL KULLANIM ALANLARI

■Tıbbi analizlerde

Antijen – Antikor – Toksin – Lipozom – Enzim kombinasyonuyla hazırlanan kolera toksin biyosensörü, DNA hibridizasyonu temeline dayanan DNA-Avidin-Biotin-Lipozom-Enzim kombinasyonuyla oluşturulan Tay Sacs biyosensörleri örnek olarak verilebilir.

■Çevresel analizlerde

Klorür, pH, kalsiyum, nitrat, sodyum, potasyum, magnezyum, amonyum duyarlı kimyasal sensörler vardır. Biyoraportörler yoluyla petrol sızıntıları, yeraltı sularındaki uranyum miktarı, zehirli atıkların, kanserojenlerin ve içme sularını kirleten mikroorganizmaların konsantrasyonları belirlenmektedir.

■İlaç analizleri ve savunma sanayinde

Artık, kimyasal silahların tesbitinde olduğu gibi, biyo-silahların tesbiti için de küçük boyuttaki robotlar ya da uçaklar kullanılmak istenmektedir

Biyosensör Pazarı

Biyosensör pazarı incelendiğinde üretimin %90 dan fazlasının tıp alanında kullanıldığı ve bunun da ağırlıklı olarak glukoz tayinine yönelik enzim esaslı biyosensörlerden oluştuğu görülmektedir. İnsan sağlığının birincil önemi, şeker hastalığının yaygınlığı, vücut sıvılarının genelde standart bileşimi ve tasarlanan sistemlerin uygunluğu bu sonucu ortaya çıkarmıştır.Doğal olarak, son yıllardaki bilimsel ve teknolojik gelişmeler diğer bazı biyosensör türlerinin de bu pazarda paylarının hızlı bir şekilde artmasına yol açacaktır.Ancak enzimlerin çok yüksek sayı ve çeşitliliği ve çok farklı kullanım alan ve amaçlarında yararlanılabilir olmaları bu pazarda egemenliğin enzim esaslı biyosensörlerde olması sonucunu doğurmaktadır.

Biyosensörlere İlişkin Bazı Spesifik Uygulamalar

Son yıllarda geliştirilen ve yeni uygulama olanağı bulmuş değişik biyosensör çalışmaları dikkat çekmektedir; Diasetilen lipid ile türevlendirilmiş sialik asit molekülleri yardımıyla enfekte edilmiş örneklerde, UV ışık etkisiyle renk değişimi yoluyla virüslerin tayini, S.aureus ve E.Coli’nin fluoresans veren sistemler yoluyla belirlenmesi, gıda zehirlenmelerinde yaygın olarak karşılaşılan çeşitli bakterilerin antijen-antikor ve optik sistem kombinasyonlarıyla analizlenmesi ilginç biyosensör örneklerini oluşturmaktadır. Bilimadamlarınca hastalıkların teşhisinde kullanılmak üzere geliştirilen yeni fanilanın özelliği akıllı olması. Akıllı fanila, giyildiği birkaç gün boyunca giyenin kalp atışlarını, ateşini kontrol ediyor, ter analizini yapıp kaydediyor.
Biyoloji mühendislerince geliştirilen ve halen test aşamasında olan akıllı fanila, tıpta yakın bir gelecekte kullanılmaya başlanacak biosensör teknolojilerinden yalnızca biri. Geliştirilmekte olan teknoloji harikası biosensörler sayesinde, stresten baygınlık nöbetlerine, mide ekşimesinden kalp spazmlarına kadar her türlü rahatsızlık, doktorlar tarafından sonradan izlenebilecek.
Vücudun içine yerleştirilen ya da giyilebilen bu biosensörlerin bazıları şimdiden satılıyor, bazıları ise insan ‘‘kobaylar’’ tarafından deneniyor. BT laboratuarlarından Prof. Peter Cochrane, biosensörleri deneyen gönüllü kobaylardan. Cochrane’in denediği alet, sıradan bir saat görünümünde. Görevi ise, konferans verirken aşırı heyecanlandığında ve nabzı 110’a çıktığında profesörü uyarmak ve sakinleşmesini sağlayarak nabzını 80’e düşürmek.
İngiliz bilim adamları hastalıkları anında teşhis ve tedavi için çip teknolojisinden yararlanarak yeni bir yöntem geliştirdiler.
Buna göre vücuda yerleştirilen bir çip en küçük bir sağlık sorununda elektronik olarak bağlantılı olduğu bilgisayara haber veriyor ve bu bilgi oradan da hastanın doktoruna ulaşıyor. Biyosensor, yani biyoalgılayıcı adı verilen çip böylelikle sağlık problemlerinin en kısa sürede giderilmesine olanak sağlıyor, hatta hayat kurtarıyor.

Biyosensor, kan damarlarına veya istenilen bir organa basit bir işlemle yerleştiriliyor. Gerekirse vücuda birden fazla biyonsensor konabiliyor. Biyosensor kandaki veya verilen nefesteki, yada beyinde oluşan kimyasal maddeleri ölçüp vücutta meydana gelen her türlü kimyasal değişimleri anında belirliyor ve hastalık bulguları halinde sinyal halinde merkezi bilgasayara bildiriyor.
Biyosensor bununla da kalmayarak hastalığa ilk müdahaleyi yapıyor, hastaya ne yapacağını bilgisayar aracılığıyla söylüyor. Kalp, felç veya şeker koması gibi acil durumlarda doktora telefon edip randevü alabilen biyosensor daha acil vakalarda ise ambulans çağırıp, hastanın yakınlarına haber veriyor. Biyosensor acil durumlarda hastanın nerede, hangi pozisyonda olduğunu, bayılıp bayılmadığını haber verebiliyor.
DNA ile 15 dakikada teşhis Ege Üniversitesi (EÜ) Eczacılık Fakültesi, “biyosensör” adı verilen algılayıcı cihaz sayesinde bulaşıcı ve kalıtsal hastalıkların tayinini 15 dakikada yapabiliyor. Buna göre DNA incelemeleri ile genetik ve bulaşıcı hastalıkların “hızlı, basit ve ucuz yoldan” tanımlanabilmesinin mümkün olup, “Kişilerin gen haritasından faydalanarak, DNA incelemeleri ile kalıtsal veya bulaşıcı bir hastalığı olup olmadığını tayin edebiliyor.”
‘İtfaiye robot’lar geliyor
Deprem, sel gibi doğal afetlerde insanlara yardım eden, inşaatlarda işçi olarak çalışan, dans eden robotlardan sonra şimdi de itfaiye işlevi görecek robot üretildi.
Bir ormanı saatte 10 – 20 km hızla dolaşan OLE adındaki robot, biyosensörler yardımıyla etrafı sürekli tarayarak çıkan yangını anında algıladıktan sonra harekete geçiyor ve gerekli miktarda su püskürtmeye başlıyor.

…