Evaluación del uso de aptámeros para el desarrollo de un biosensor basado en carbon dots para la detección de pesticidas organofosforados en agua

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RESUMEN: Los pesticidas organofosforados son ampliamente utilizados en la industria agrícola para la mejora de la producción de los cultivos, sin embargo, se estima que apenas el 1% de la cantidad de pesticida aplicado en el área de interés es realmente aprovechado por las plantas y el resto se convierte en un contaminante ambiental que puede llegar fácilmente a los cuerpos de agua por escorrentía. Aunque actualmente se utilizas técnicas confiables basadas en cromatografía para la detección de dichos contaminantes, estas suelen ser tediosas dado que necesita de personal altamente calificado y equipos robustos que inviabilizan la caracterización de muestras en campo. Por esto, a lo largo del tiempo se ha incrementado el interés por el desarrollo de tecnologías que permitan la detección de dichos contaminantes de manera precisa, portable y en tiempo real para evitar los efectos adversos que estas sustancias puedan llegar a producir en los ecosistemas y hacia la salud humana. Los biosensores poseen el potencial para superar estas limitaciones de las tecnologías tradicionales y existe gran cantidad de producción literaria enfocada en la capacidad de detección de estos dispositivos para diversas moléculas analito, incluidos los pesticidas. Del mismo modo, se ha aumentado el interés por el uso de aptámeros como biorreceptor para el desarrollo de biosensores, los cuales son oligonucleótidos monocatenarios de secuencias cortas generados mediante un proceso in vitro, ya que posee mayor selectividad en comparación con el uso de anticuerpos o enzimas. En este trabajo se evaluó el uso de aptámeros para el desarrollo de un biosensor basado en carbon dots para la detección de pesticidas organofosforados, para lo cual se aplicó una metodología divida en tres fases, en la primera se realizó una revisión bibliográfica para identificar las condiciones que influyen en el desempeño de los aptámeros en los procesos de detección, en la segunda se realizaron protocolos experimentales para determinar la estrategia de detección más adecuada del sistema aptámero-carbon dots, por último, se evaluó la respuesta del sistema a diferentes concentraciones de los pesticidas organofosforados clorpirifos y profenofos. Con lo anterior, se logró con éxito la conjugación entre los aptámeros y los carbon dots mediante la caracterización por espectroscopia UV VIS, espectroscopia de fluorescencia y microscopia electrónica de transmisión (TEM). También, se encontró que las mejores condiciones de detección se presentaban con el uso de óxido de grafeno como agente modulador de fluorescencia y se realizaron pruebas para determinar la concentración mediante la cual se lograba una inactivación de la fluorescencia de los carbon dots más eficiente. Por último, se evaluó la respuesta de recuperación de señal de fluorescencia del sistema aptámero-carbon dots al exponerse a diferentes concentraciones de los analitos, en donde se identificó una tendencia de recuperación de fluorescencia proporcional al aumento de las concentraciones de los pesticidas.

ABSTRACT: Organophosphorus pesticides are widely used in the agricultural and agroforestry industry to improve crop production; however, it is estimated that only 1% of the amount of pesticide applied about the area of interest is used by plants and the rest becomes an environmental pollutant that can easily reach water bodies through runoff. Although reliable techniques based on chromatography are currently used for the detection of these pollutants, they are usually tedious because they require highly qualified personnel and robust equipment that make the characterization of samples in the field unfeasible. For this reason, over time there has been an increasing interest in the development of technologies that allow the detection of these contaminants in an accurate, portable and real time way to avoid the adverse effects that these substances can produce in ecosystems and human health. Biosensors have the potential to overcome these limitations of traditional technologies and there is a large body of literature focused on the detection capabilities of these devices for various analyte molecules, including pesticides. Similarly, there has been increasing interest in the use of aptamers as a bioreceptor for the development of biosensors, which are single stranded oligonucleotides of short sequences generated by an in vitro process, as they possess greater selectivity compared to the use of antibodies or enzymes. In this work, the use of aptamers was evaluated for the development of a biosensor based on carbon dots for the detection of organophosphorus pesticides, for which a methodology divided into three phases was applied. In the first phase, a literature review was carried out to identify the conditions that influence the performance of aptamers in the detection processes, In the second, experimental protocols were carried out to determine the most appropriate detection strategy for the aptamer-carbon dots system. Finally, the response of the system to different concentrations of the organophosphorus pesticides chlorpyrifos and profenofos was evaluated. With the above, the conjugation between aptamers and carbon dots was successfully achieved through characterization by UV VIS spectroscopy, fluorescence spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM). Also, it was found that the best detection conditions were presented with the use of graphene oxide as a fluorescence modulating agent and tests were performed to determine the concentration by which the most efficient inactivation of carbon dots fluorescence was achieved. Finally, the fluorescence signal recovery response of the aptamer-carbon dots system when exposed to different concentrations of the analytes was evaluated, where a fluorescence recovery trend proportional to the increase of the pesticide concentrations was identified.

Pregrado

Ingeniero(a) Ambiental