Inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in a potentiometric biosensor

Aim. To identify a type of inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1. Methods. A bioselective element of the potentiometric biosensor was created using acetylcholinesterase, which was covalently immobilized on the surface of the pH-FET sensor by glutaraldehyde crosslinking with bovine serum albumin. Results. Optimal conditions for the potentiometric biosensor operation such as pH-optimum of the enzyme action and its inhibition were defined. An apparent Michaelis constant, as well as a maximum initial reaction rate of immobilized acetylcholinesterase as a part of the biosensor were determined. The type of reversible inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in potentiometric biosensor was identified by using a new graphical “degree of inhibition” method and the obtained result was confirmed with one of the tradi-tional methods, such as the Lineweaver-Burk plot. Conclusions. This study helps to understand the mechanisms of enzyme inhibition in biosensors and brings the biosensor implementation closer.Мета. Визначення типу інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином B1. Методи. Біоселективний елемент потенціометрического біосенсора був створений використовуючи поперечну зшивку ацетилхолінестерази з бичачим сироватковим альбуміном в мембрані за допомогою глутарового альдегіду. Результати. Визначено оптимальні умови роботи потенціометричного біосенсора, такі як рН-оптимум роботи ферменту та його інгібування. Були визначені уявна константа Міхаеліса, а також максимальна початкова швидкість ферментативної реакції іммобілізованої ацетилхолінестерази в складі біосенсора. Тип оборотного інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином В1 в складі потенціометричного біосенсора був ідентифікований з використанням нового графічного методу – методу «ступеня інгібування», отриманий результат був підтверджений за допомогою одного із традиційних методів –Лайнуівера-Берка. Висновки. Це дослідження допомагає зрозуміти механізми інгібування ферменту в складі біосенсора та наближує впровадження біосенсора у виробництво.Цель. Определение типа ингибирования иммобилизованной ацетилхолинэстеразы афлатоксином B1. Методы. Биоселективный элемент потенциометрического биосенсора был создан, используя поперечную сшивку ацетилхолинэстеразы с бычьим сывороточным альбумином в мембране при помощи глутарового альдегида. Результаты. Определены оптимальные условия работы потенциометрического биосенсора, такие как рН-оптимум работы фермента и его ингибирования. Были определены кажущаяся константа Михаэлиса, а также максимальная начальная скорость ферментативной реакции иммобилизованной ацетилхолинэстеразы в составе биосенсора. Тип обратимого ингибирования иммобилизованной ацетилхолинестеразы афлатоксином В1 в составе потенциометрического биосенсора был установлен при помощи нового графического метода – метода «степени ингибирования», полученный результат был подтвержден с помощью одного из традиционных методов – Лайнуивера-Берка. Выводы. Это исследование помогает понять механизмы ингибирования фермента в составе биосенсора и приближает внедрение биосенсора в производство

Biosensors. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования

Inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in a potentiometric biosensor

Aim. To identify a type of inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1. Methods. A bioselective element of the potentiometric biosensor was created using acetylcholinesterase, which was covalently immobilized on the surface of the pH-FET sensor by glutaraldehyde crosslinking with bovine serum albumin. Results. Optimal conditions for the potentiometric biosensor operation such as pH-optimum of the enzyme action and its inhibition were defined. An apparent Michaelis constant, as well as a maximum initial reaction rate of immobilized acetylcholinesterase as a part of the biosensor were determined. The type of reversible inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in potentiometric biosensor was identified by using a new graphical “degree of inhibition” method and the obtained result was confirmed with one of the tradi-tional methods, such as the Lineweaver-Burk plot. Conclusions. This study helps to understand the mechanisms of enzyme inhibition in biosensors and brings the biosensor implementation closer.Мета. Визначення типу інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином B1. Методи. Біоселективний елемент потенціометрического біосенсора був створений використовуючи поперечну зшивку ацетилхолінестерази з бичачим сироватковим альбуміном в мембрані за допомогою глутарового альдегіду. Результати. Визначено оптимальні умови роботи потенціометричного біосенсора, такі як рН-оптимум роботи ферменту та його інгібування. Були визначені уявна константа Міхаеліса, а також максимальна початкова швидкість ферментативної реакції іммобілізованої ацетилхолінестерази в складі біосенсора. Тип оборотного інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином В1 в складі потенціометричного біосенсора був ідентифікований з використанням нового графічного методу – методу «ступеня інгібування», отриманий результат був підтверджений за допомогою одного із традиційних методів –Лайнуівера-Берка. Висновки. Це дослідження допомагає зрозуміти механізми інгібування ферменту в складі біосенсора та наближує впровадження біосенсора у виробництво.Цель. Определение типа ингибирования иммобилизованной ацетилхолинэстеразы афлатоксином B1. Методы. Биоселективный элемент потенциометрического биосенсора был создан, используя поперечную сшивку ацетилхолинэстеразы с бычьим сывороточным альбумином в мембране при помощи глутарового альдегида. Результаты. Определены оптимальные условия работы потенциометрического биосенсора, такие как рН-оптимум работы фермента и его ингибирования. Были определены кажущаяся константа Михаэлиса, а также максимальная начальная скорость ферментативной реакции иммобилизованной ацетилхолинэстеразы в составе биосенсора. Тип обратимого ингибирования иммобилизованной ацетилхолинестеразы афлатоксином В1 в составе потенциометрического биосенсора был установлен при помощи нового графического метода – метода «степени ингибирования», полученный результат был подтвержден с помощью одного из традиционных методов – Лайнуивера-Берка. Выводы. Это исследование помогает понять механизмы ингибирования фермента в составе биосенсора и приближает внедрение биосенсора в производство

Biosensors. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования