Síntese, caracterização e avaliação de monocamadas peptídicas auto-organizadas (SAM) com marcador redox ferroceno para desenvolvimento de biossensores

Abstract

Biossensores redox-capacitivos têm sido empregados na construção de interfaces eletroquímicas. Peptídeos marcados com espécies redox como o Fc-Glu-Ala-Ala-Cys-NH2, atuam como monocamadas sensíveis as mudanças na transferência de elétrons quando há a ligação do analito de interesse. Esse trabalho teve como objetivo a síntese, caracterização e avaliação de diferentes peptídeos contendo a espécie redox ácido 3-ferrocenilpropiônico (Fc): 1) Fc-Glu-Ser-Ser-Cys-NH2 (Pep-Ser), que possui em sua cadeia lateral grupos formadores de ligações de hidrogênio; 2) Fc-Glu-Phe-Phe-Cys-NH2 (Pep-Phe), com cadeia lateral aromática dos resíduos de Phe; e ) Fc-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly), que apresenta o aminoácido Gly que possui a menor cadeia lateral entre os aminoácidos. Somado a isto, diferentes compostos contendo o ferroceno foram testados: 4) peptídeos ferrocenilacetil-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly2) e ferrocenilcarboxil-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly3). As monocamadas foram construídas sob superfície de ouro (Au) e seus parâmetros eletroquímicos mensurados. A voltametria cíclica mostrou que, as monocamadas formadas possuem processos redox reversíveis, com potenciais formais na faixa de 354 a 374 mV. O peptídeo Pep-Gly apresentou maior densidade de recobrimento molecular (2,6 x 10-10 mol cm-2) e capacitância eletroquímica (270 ± 35 µF cm-2). A k_ET calculada por dois métodos, Laviron e teoria do modelo quântico, mostra valores similares, no qual Pep-Phe apresentou maior valor (22 ± 3 s-1). Quando avaliado o desempenho como biossensor na detecção da proteína NS1 do vírus da Dengue, o Pep-Gly mostrou melhores valores de sensibilidade (5,6%) e menores de LOD (1,4 n mL-1) e LOQ (2,6 ng mL-1), seguido do Pep-Phe. O Pep-Ser não apresentou resposta biossensora. A monocamada formada pelo Pep-Gly também foi integrada ao sistema CRISPR-Cas13a para a detecção de fragmentos de RNA de Sars-CoV-2, mostrando resultados promissores e respostas relativas de 10,5 % em concentrações de 50 aM, e 16,5 % em concentrações de 50 pM. No entanto, ao ser usada a enzima desativada dCas13a não foi possível obter resposta para detecção dos mesmos alvos moleculares. A caracterização eletroquímica do Pep-Gly2 e Pep-Gly3 mostrou que ambos os peptídeos não apresentam potencial para uso em interfaces sensoras, uma vez que não se mostraram estáveis, mostrando dependência da proximidade do ferroceno em relação ao arcabouço peptídico. Os resultados apresentados mostram potencial uso de peptídeos eletroativos na formação de SAM visando o desenvolvimento de diferentes biossensores.

Redox-capacitive biosensors have been used to construct electrochemical interfaces. Peptides labeled with redox species such as Fc-Glu-Ala-Ala-Cys-NH2 act as monolayers capable of sensing changes in electron transfer when the analyte of interest is bound. This work aimed to synthesize, characterize and evaluate different peptides containing the redox species 3-ferrocenylpropionic acid (Fc): 1) Fc-Glu-Ser-Ser-Cys-NH2 (Pep-Ser), which has in its chain lateral groups forming hydrogen bonds; 2) Fc-Glu-Phe-Phe-Cys-NH2 (Pep-Phe), with aromatic side chain of Phe residues; e ) Fc-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly), which presents the amino acid Gly, which has the smallest side chain among the amino acids. Added to this, different compounds containing ferrocene were tested: 4) peptides ferrocenylacetyl-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly2) and ferrocenylcarboxyl-Glu-Gly-Gly-Cys-NH2 (Pep-Gly3). The monolayers were constructed on a gold (Au) surface and their electrochemical parameters were measured. Cyclic voltammetry showed that the monolayers formed by these peptides have reversible redox processes, with formal potentials in the range of 354 to 374 mV. The Pep-Gly peptide showed higher molecular coating density (2.6 x 10-10 mol cm-2) and electrochemical capacitance (270 ± 35 µF cm-2). The k_ET calculated by two methods, Laviron and quantum model theory, shows similar values, in which Pep-Phe presented the highest value (22 ± 3 s-1). When evaluating its performance as a biosensor in the detection of the Dengue virus NS1 protein, Pep-Gly showed better sensitivity values (5.6%) and lower LOD (1.4 n mL-1) and LOQ (2.6 ng mL-1), followed by Pep-Phe. Pep-Ser did not show a biosensor response. The monolayer formed by Pep-Gly was also integrated into the CRISPR-Cas13a system for the detection of Sars-CoV-2 RNA fragments, showing promising results and relative responses of 10.5% at concentrations of 50 aM, and 16.5 % at concentrations of 50 pM. However, when using the deactivated dCas13a enzyme, it was not possible to obtain a response to detect the same molecular targets. The electrochemical characterization of Pep-Gly2 and Pep-Gly3 showed that both peptides do not have potential for use in sensor interfaces, since they were not stable, showing dependence on the proximity of the ferrocene in relation to the peptide framework. The results presented show the potential use of electroactive peptides in the formation of SAM aiming at the development of different biosensors.