Biocatalysis in microfluidic systems: biosensing and rapid-screening applications

Eduardo João Silva Brás

Key information

Authors:

Eduardo João Silva Brás (Eduardo João Silva Brás)

Supervisors:

João Pedro Estrela Rodrigues Conde (João Pedro Estrela Rodrigues Conde); Pedro Carlos de Barros Fernandes (Pedro Carlos De Barros Fernandes)

Published in

09/15/2020

Abstract

Esta dissertação de doutoramento visa demonstrar o potêncial da técnologia microfluídica no campo da biotécnologia. O objectivo passa por demonstrar a possibilidade de aplicar a técnologia microfluídica nos campos de: i) reacções enzimáticas de múltiplos passos; ii) ensaios ópticos de biodetecção; iii) e capacidade de cultivar e manipular células animais. Na primeira parte, foi desenvolvida uma plataforma microfluídica para a optimização de condições para a síntese de L-DOPA e dopamina. Para além dos factores típicos como o caudal e a concentração do substrato, diferentes geometrias do reactor foram comparadas. O processo de produção de LDOPA sofreu também um aumento de escala de 780x, mantendo as mesmas condições de transporte de massa, registando-se um rendimento de 0.81 mgL_£>0PA/(L.h) para a microescala e de 0.79 mgL-DOPA/(L.h) para a escala maior. A segunda parte desta dissertação, continua a explorar o uso de enzimas em sistemas microfluídicos, para aplicações de biosensores em plantas. Inicialmente, foi desenvolvido uma plataforma microfluídica para a detecção de ácido azeláico (LOD= 10 pM). Este dispositivo evoluiu posteriormente para ser capaz de detectar também ácido salicilico (LOD= 15 pM) e ácido jasmónico (LOD= 4.4 nM). Foi desenvolvido um leitor portátil para este dispositivo e este foi usado para distinguir uvas infectadas de uvas saudáveis. A ultima porção desta dissertação foi acerca do uso de tecnologia microfluídica como ferramenta no estudo do cancro. Este trabalho teve três abordagens: i) o desenvolvimento de um biosensor para a detecção d adenilato quinase como forma de monotorização de saúde celular durante o rastreamento de drogas; ii) um sistema de phage display para o desenvolvimento de novos agentes terapêuticos; iii) um sistema de co-cultura de células do microambiente tumoral e do baço para o rastreamento de possíveis combinações terapêuticas. In this doctoral thesis, I aim to demonstrate the potential of microfluidics technology for the field of biotechnology. I aim to demonstrate the possibility of integrating, with microfluidic technology: i) multistage enzymatic reactions; ii) optically transduced biosensing assays; iii) mammalian cell culture capability and manipulation. In the first part, a microfluidic platform for the screening of process conditions for the production of L-DOPA and dopamine is presented. In addition to the typical process conditions such as substrate concentration and flowrate, different geometries were also compared. The L-DOPA producing reaction was up-scaled, with an increase of 780-fold, by maintaining similar mass transport properties, resulting in a space-time yield of 0.81 mgL−DOP A/(L.h) for the microfluidic system and 0.79 mgL−DOP A/(L.h) for the larger scale. The second portion of this thesis, was a continuation of the use of enzymes in microfluidic systems, but this time for biosensing applications in plants. Initially a microfluidic platform for the detection of azelaic acid was developed (LOD= 10 µM). This device later evolved into a multiplexed platform through the inclusion of assays for salicylic acid (LOD= 15 µM) and jasmonic acid (LOD= 4.4 nM). A portable prototype for the readout of this microfluidic device was developed and used to distinguish between infected and healthy grapes. The final portion of this work revolved around the use of microfluidics for cancer research. This was done in three directions: i) a biosensor for adenylate kinase to monitor cell health during drug screening assays; ii) a phage display system for the development of novel therapeutic agents; iii) a co-culture device containing primary tumor microenvironment cells as well as spleenocytes to assess potential therapeutic combinations.