Využití peptid-kov a protein-kov interakcí pro navržení biosensoru těžkých kovů

RNDr. Vojtěch Adam, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Utilizing of a peptide-metal and a protein-metal interactions for suggestion of heavy metal biosensor.

Abstract:

Znečištění životního prostředí toxickými těžkými kovy je výsledkem mnoho lidských aktivit jako je těžký těžební a hutní průmysl. Následný vliv těchto kovů na ekosystémy má obrovský význam nejen z hlediska významu pro lidské zdraví, ale také z hlediska ekonomického, protože tyto prvky a nejsou biodegradovatelné a jsou akumulovány v různých živých systémech. Vývoj různých biosensorů pro tyto účely a jejich použití namísto robustních analytických technik má obrovský potenciál z důvodu výhod, které využití biosensorů poskytuje jako např. specifita, nízké náklady, jednoduché použití a možnost monitoringu v reálném čase. Cílem této práce bylo navrhnout biosensory pro stanovení těžkých kovů založené na interakci těžké kovy vázajících látek (fytochelatin – PC2 a metalothionein – MT) pomocí adsorptivní přenosové rozpouštěcí (AdTS) diferenční pulsní voltametrie (DPV). Nejprve jsme využili PC2 biosensor pro stanovení kademnatých a zinečnatých iontů, a cisplatiny. Limity kvantifikace byly pro Cd(II)0.6 pmolu, Zn(II) 8 pmolu a pro cisplatinu 1 pmolu v 5 μl kapce vzorku. Poté, co jsme prokázali, že jsme schopni navrhnout biosensor prostřednictvím modifikace visící rtuťové kapkové elektrody, jsme se pokusili využít protein metalothionein namísto PC2 pro stejné účely. Nejprve jsme studovali elektrochemické chování MT na povrchu visící rtuťové kapkové elektrody pomocí AdTS DPV. Dokonalého pokrytí povrchu elektrody bylo pravděpodobně dosaženo po 240 s při adsorpci 10 μM MT. Dosažené limity kvantifikace analyzovaných těžkých kovů (kadmia(II), zinku(II) a paládia(II)) byly 160 fmolů Cd(II), 220 fmolů Zn(II) a 1.5 pmolů v 5 μl kapce vzorku. Dále jsme aplikovali MT biosensor na analýzu těžkých kovů v lidských tělních tekutinách (lidská moč a krevní sérum) a porovnali s metodou diferenční pulsní anodické rozpouštěcí voltametrie.

Abstract:

The pollution of the environment with toxic metals is a result of many human activities, such as mining and metallurgy, and the effects of these metals on the ecosystems are of large economic and public-health significance, because these substances are not biodegradable and retained by the ecological system. Suggestion of biosensors could be very suitable for these purposes instead of robust analytical techniques, because biosensors have the advantages of specificity, low cost, ease of use, portability and the ability to furnish continuous real time signals. The aim of this work was to suggest new heavy metal biosensors based on interaction of metals (cadmium and zinc) with heavy metal binding biological compounds (phytochelatin – PC2 and/or metallothionein – MT), using adsorptive transfer stripping (AdTS) differential pulse voltammetry (DPV). Primarily, we utilized PC2 biosensor to determine cadmium, zinc and cisplatin. The quantification limits (3 S/N) of Cd(II), Zn(II) and cisplatin were about 0.6, 8 and 1 pmole in 5 μl, respectively. After that we did proved that we were able to suggest biosensor through modification of hanging mercury drop electrode, we attempted to utilize metallothionein instead of PC2 for the same purposes. We studied the electrochemical behaviour of MT on the surface of hanging mercury drop electrode by AdTS DPV. Perfect coverage of the electrode surface – forming of the surface assembled monolayer – was probably reached at time about 240 s for 10 µM protein concentration. The quantification limits of the analysed heavy metals (cadmium(II), zinc(II) and palladium(II)) were 160 and 220 fmole and 1.5 pmole in 5 µl drop, respectively. In addition, we employed the MT biosensor to analyse heavy metals in human body liquids (human blood serum and human urine) and to compare with differential pulse anodic stripping voltammetry.

Keywords

Biosensor, Těžký kov, Kadmium, Zinek, Paládium, Elektrochemie, Fytochelatin, Metalothionein Biosensor, Heavy metal, Cadmium, Zinc, Palladium, Electrochemistry, Phytochelatin, Metallothionein

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 10. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2007
• Reader: Mgr. Luděk Havran, Dr, prof.Dr.Ing. Ladislav Novotný, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry