Nowy cukrowy stabilizator poprawia trwałość biosensorów mleczanu w kwaśnym pH
Skład potu czyni go wartościowym płynem diagnostycznym. Choć w większości stanowi wodę, to niewielka frakcja zawierająca elektrolity, produkty metabolizmu i ślady związków chemicznych dostarcza cennych informacji o stanie zdrowia pacjenta. Obecnie komercyjne sensory potu pozwalają już monitorować odwodnienie, utratę elektrolitów czy inne parametry, a jednym z rozwijających się zastosowań jest pomiar kwasu mlekowego.
Kwas mlekowy (dokładniej L-mleczan) to produkt metabolizmu powstający głównie w komórkach mięśniowych podczas intensywnego wysiłku, gdy glukoza ulega rozkładowi w warunkach niedotlenienia. Pomiar stężenia mleczanu jest szeroko stosowany w sporcie do oceny wydolności i planowania treningów, ale podwyższony poziom może także sygnalizować stan zagrożenia, jakim jest kwasica mleczanowa.
Sensory kwasu mlekowego wykorzystują enzym oksydazę mleczanową (LOx), immobilizowaną na biokompatybilnej elektrodzie. Enzym ten wiąże się z L-mleczanem i katalizuje jego utlenienie do pirogronianu, wytwarzając nadtlenek wodoru, który następnie ulega reakcji elektrochemicznej, generując prąd proporcjonalny do stężenia mleczanu. Problemem pozostaje jednak fakt, że LOx jest wrażliwy na pH – działa optymalnie w warunkach obojętnych, a w środowisku kwaśnym (pH ok. 4, charakterystyczne dla potu) jego aktywność gwałtownie spada. Jedną z metod stabilizacji enzymu jest zastosowanie cukrów chroniących go w warunkach zakwaszenia.
Zespół badaczy z Tokyo University of Science (TUS) wykazał, że monolaurynian sacharozy zapewnia znacznie lepszą ochronę dla LOx niż tradycyjnie stosowane cukry. W warunkach symulujących kwaśne pH potu elektrody modyfikowane tym stabilizatorem zachowały ok. 80% aktywności LOx przy pH 5, podczas gdy bez stabilizatora aktywność spadała do 50%.
Praca została opublikowana 5 sierpnia 2025 r. w czasopiśmie Langmuir (Vol. 41, Issue 30). Kierownikiem badań był dr Isao Shitanda we współpracy z Anton Paar Japan K.K. W zespole uczestniczyli również dr Taku Ogura z Research Institute for Science and Technology, mgr Chiaki Sawahara z Department of Pure and Applied Chemistry TUS oraz dr Yuichi Takasaki z Anton Paar Japan K.K.
Badacze przygotowali elektrody złote i węglowe – bez stabilizatora, z monolaurynianem sacharozy oraz z maltozą (również znanym stabilizatorem). Testy w roztworach o pH 7,0, 6,0 i 5,0 potwierdziły, że tylko monolaurynian sacharozy skutecznie chronił enzym przy silniejszym zakwaszeniu.
Mechanizm tej ochrony został poznany dzięki technice małokątowego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem padania (GI-SAXS). Ustalono, że monolaurynian sacharozy tworzy uporządkowane struktury heksagonalne i warstwowe na powierzchni elektrod, w które enzym zostaje wbudowany. Struktury te tworzą barierę dla jonów wodorowych, jednocześnie przepuszczając wodę i metabolity, takie jak kwas mlekowy, dzięki czemu LOx zachowuje aktywność mimo niskiego pH.
Odkrycie to może otworzyć drogę do konstrukcji bardziej trwałych i niezawodnych biosensorów mleczanu w pocie, przydatnych w medycynie sportowej, diagnostyce czy monitorowaniu ryzyka udaru cieplnego. Co istotne, monolaurynian sacharozy jest związkiem bezpiecznym, tanim i łatwym do wdrożenia na skalę przemysłową. Autorzy podkreślają również, że ta metoda stabilizacji może znaleźć zastosowanie w ochronie innych enzymów pracujących w trudnych warunkach środowiskowych.
Źródło: Langmuir, Stabilization of Lactate Oxidase by Sucrose Monolaurate under Acidic Conditions
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01852
