Sensor eletroquímico descartável molecularmente impresso para detecção de bactéria no processo de biotransformação de resíduos em polímeros biodegradáveis

A bactéria Burkholderia glumae MA13 é uma importante produtora de polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de fontes de carbono e subprodutos industriais, oferecendo uma alternativa promissora e sustentável aos plásticos petroquímicos. No entanto, o controle de qualidade é essencial, enfrentando desafios devido à complexidade e baixa sensibilidade das técnicas de monitoramento tradicionais. Estratégias de detecção mais rápidas e específicas são necessárias para otimizar a produção de PHAs. Os sensores eletroquímicos emergem como uma alternativa promissora para a detecção de bactérias, destacando-se por sua portabilidade, automação, capacidade de obtenção de informações in situ, sensibilidade, seletividade, baixo custo e pequenos limites de detecção. Compostos por elementos de reconhecimento e transdutores, esses dispositivos permitem a aquisição de informações qualitativas e quantitativas baseadas nas propriedades elétricas das espécies presentes na amostra. A variedade de materiais e técnicas disponíveis para a modificação dos eletrodos possibilita a preparação de sensores adaptáveis para diversas aplicações, com destaque para os eletrodos impressos, que apresentam uma plataforma viável para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos devido à sua praticidade e possibilidade de modificações. A utilização de Polímeros Molecularmente Impressos (MIPs) tem contribuído significativamente para a fabricação de sensores com alta seletividade. Assim, o objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor eletroquímico molecularmente impresso com comunicação wireless para o monitoramento da bactéria Burkholderia glumae MA13 no processo de produção de polihidroxialcanoatos. A fabricação do sensor eletroquímico envolveu a eletropolimerização de pirrol (1.0 x 10^-4 mol L^-1) na presença de Burkholderia glumae MA13 (1.0 x 10^7 UFC mL^-1) em tampão fosfato (PB, 0.1 mol L^-1, pH 7.4). Após a formação do filme molecularmente impresso (MIP), a bactéria foi removida por incubação do sensor em solução etanol:ácido acético (50:50 v/v) durante 10 minutos, formando cavidades seletivas de reconhecimento. As caracterizações eletroquímicas e microscópicas indicaram a modificação bem-sucedida da superfície do eletrodo. As condições experimentais foram otimizadas para maximizar o desempenho analítico do sensor, incluindo: velocidade de varredura (50 mV s^-1), concentração de pirrol (1.0 x 10^-4 mol L^-1), número de ciclos de eletropolimerização (3), pH (7.4), meio de extração (etanol:ácido acético, 50:50 v/v), tempo de extração (10 min) e religação (10 min). Em seguida, curvas analíticas foram obtidas na faixa linear de concentração de 1.0 x 10^5 a 1.0 x 10^0 UFC, com limite de detecção (LOD) estimado em 4.8 x 10^6 UFC mL^-1. Como próximas etapas, pretende-se avaliar a seletividade do sensor e sua aplicabilidade em amostras reais.

Resumo (inglês)

The bacterium Burkholderia glumae MA13 is a significant producer of polyhydroxyalkanoates (PHA) from carbon sources and industrial byproducts, offering a promising and sustainable alternative to petrochemical plastics. However, quality control is essential, as it faces challenges due to the complexity and low sensitivity of traditional monitoring techniques. Faster and more specific detection strategies are needed to optimize PHA production. Electrochemical sensors are emerging as a promising alternative for bacterial detection, distinguishing themselves for their portability, potential for automation, capacity to obtain in situ information, sensitivity, selectivity, low cost, and low detection limits. Composed of recognition elements and transducers, these devices allow the acquisition of qualitative and quantitative information based on the electrical properties of the species present in the sample. The variety of materials and techniques available for electrode modification enables the preparation of adaptable sensors for diverse applications, with a focus on printed electrodes, which present a viable platform for the development of electrochemical sensors due to their practicality and potential for modifications. The use of Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) has contributed significantly to the fabrication of highly selective sensors. Thus, the objective of this work is to develop a molecularly imprinted electrochemical sensor with wireless communication for monitoring the bacterium Burkholderia glumae MA13 in the polyhydroxyalkanoate production process. The fabrication of the electrochemical sensor involved the electropolymerization of pyrrole (1.0 x 10^-4 mol L^-1) in the presence of Burkholderia glumae MA13 (1.0 x 10^7 CFU mL^-1) in phosphate buffer (PB, 0.1 mol L^-1, pH 7.4). After the formation of the molecularly imprinted film (MIP), the bacteria were removed by incubating the sensor in an ethanol:acetic acid solution (50:50 v/v) for 10 minutes, forming selective recognition cavities. Electrochemical and microscopic characterizations indicated the successful modification of the electrode surface. Experimental conditions were optimized to maximize the sensor's analytical performance, including: scan rate (50 mV s^-1), pyrrole concentration (1.0 x 10^-4 mol L^-1), number of electropolymerization cycles (3), pH (7.4), extraction medium (ethanol:acetic acid, 50:50 v/v), extraction time (10 min), and rebinding time (10 min). Subsequently, analytical curves were obtained in the linear concentration range from 1.0 x 10^5 to 1.0 x 10^0 CFU, with an estimated detection limit (LOD) of 4.8 x 10^6 CFU mL^-1. Next steps include evaluating the sensor's selectivity and its applicability to real samples.

Palavras-chave

Burkholderia glumae MA13, Polihidroxialcanoatos (PHAs), Polímeros impressos, Detectores eletroquimicos, Burkholderia glumae MA13, Electrochemical sensors, Imprinted polymers, Polyhydroxyalkanoates (PHAs)