DNA-based biosensor for the electrocatalytic determination of antioxidant capacity in beverages

Reactive oxygen species (ROS) are produced as a consequence of normal aerobic metabolism and are able to induce DNA oxidative damage. At the cellular level, the evaluation of the protective effect of antioxidants can be achieved by examining the integrity of the DNA nucleobases using electrochemical techniques. Herein, the use of an adenine-rich oligonucleotide (dA21) adsorbed on carbon paste electrodes for the assessment of the antioxidant capacity is proposed. The method was based on the partial damage of a DNA layer adsorbed on the electrode surface by OH• radicals generated by Fenton reaction and the subsequent electrochemical oxidation of the intact adenine bases to generate an oxidation product that was able to catalyze the oxidation of NADH. The presence of antioxidant compounds scavenged hydroxyl radicals leaving more adenines unoxidized, and thus, increasing the electrocatalytic current of NADHmeasured by differential pulse voltammetry (DPV). Using ascorbic acid (AA) as a model antioxidant species, the detection of as low as 50nMof AA in aqueous solution was possible. The protection efficiency was evaluated for several antioxidant compounds. The biosensor was applied to the determination of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages.

Síntese de derivados de ácidos fenólicos e estudo da sua actividade antioxidante

A peroxidação lipídica, além de causar sérios danos no corpo humano, é a principal causa da deterioração dos alimentos afectando a sua cor, aroma e valor nutricional, o que conduz a uma diminuição do seu ciclo de vida. O fenómeno de oxidação pode ser retardado com recurso a antioxidantes, de origem natural ou sintética, que inibam a formação de espécies reactivas, ou que reajam com estas, formando posteriormente radicais com menor grau de reactividade. Nesta dissertação procedeu-se à síntese e elucidação estrutural de novos antioxidantes, derivados dos ácidos 3,4-diidroxibenzóico (PCA) e 3,4-diidroxifenilacético (DOPAC), e à avaliação da sua actividade anti-radicalar e antioxidante. Os novos antioxidantes sintetizados foram caracterizados usando RMN de 1H e de 13C, FTIR e EM-IE. A avaliação da actividade antioxidante foi realizada com base no método do radical 2,2- difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH·) e por técnicas electroquímicas (voltametria de impulso diferencial e voltametria cíclica). Os resultados obtidos permitiram concluir que a eficácia anti-radicalar (AE) é determinada por aspectos da estrutura molecular dos compostos, nomeadamente pela presença de grupos hidroxilo no anel aromático e também de grupos extensores relativamente à posição do grupo carboxílico. Os resultados permitiram verificar que o DOPAC apresenta a mais elevada eficiência anti-radicalar dos compostos em estudo, incluindo o trolox e o ácido gálhico (compostos de referência). Com base nos resultados obtidos concluiu-se que, um menor potencial de oxidação conduz a uma melhor actividade anti-radicalar dos compostos. De facto, verificou-se para o PCA e respectivos ésteres o maior potencial de oxidação e também a menor eficiência anti-radicalar. Em contrapartida, os antioxidantes com maior eficiência anti-radicalar, DOPAC, trolox e ácido gálhico, apresentaram menor potencial de oxidação.

Evaluation of the total antioxidant capacity of flavored water and electrochemical purine damage by sulfate radicals using a purine-based sensor

In this study, a method for the electrochemical quantification of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages was developed. The method is based on the oxidative damage to the purine bases, adenine or guanine, that are immobilized on a glassy carbon electrode (GCE) surface. The oxidative lesions on the DNA bases were promoted by the sulfate radical generated by the persulfate/iron(II) system. The presence of antioxidants on the reactive system promoted the protection of the DNA bases immobilized on the GCE by scavenging the sulfate radical. Square-wave voltammetry (SWV) was the electrochemical technique used to perform this study. The efficiencies of five antioxidants (ascorbic acid, gallic acid, caffeic acid, coumaric acid and resveratrol) in scavenging the sulfate radical and, therefore, their ability to protect the purine bases immobilized on the GCE were investigated. These results demonstrated that the purine-based biosensor is suitable for the rapid assessment of the TAC in flavors and flavored water.

BIiossensor Enzimático para avaliação da Capacidade Antioxidente

Os radicais livres formam-se naturalmente nos organismos vivos, pois a sua produção/geração está interligada com o processo de produção de energia (respiração), processos inflamatórios (fagocitose), regulação do crescimento celular, sinalização intercelular e síntese de substâncias biológicas relevantes. Estes também podem ser introduzidos por vias exógenas (poluição, radiação, tabaco, alimentação, etc). Os radicais livres têm capacidade de reagir com o material nucleico (ADN e ARN), proteínas e substâncias oxidáveis, causando danos oxidativos responsáveis pelo envelhecimento e originar doenças degenerativas, tais como, o cancro, arteriosclerose, artrite reumatoide, entre outras. De forma a combater os efeitos pejorativos provocados pelos radicais, os organismos vivos desenvolveram complexos sistemas de defesa antioxidante. Estes sistemas são constituídos por antioxidantes endógenos, produzidos pelos seres vivos, tais como enzimas ou por antioxidantes exógenos obtidos por via da alimentação (por exemplo o ácido ascórbico). Neste sentido, um antioxidante tem capacidade de eliminar ou reduzir a propagação da cadeia de geração de radicais livres. Neste trabalho foi desenvolvido um biossensor enzimático para a quantificação da capacidade antioxidante total de matrizes alimentares. A construção deste biossensor consistiu na eletroimobilização da adenina no elétrodo de pasta de carbono (EPC) ou na adsorção física da dA20 na superfície do EPC. O dano oxidativo foi induzido pelo radical hidroxilo gerado pela reação de Fenton. Nesta dissertação, foi estudada a capacidade de alguns antioxidantes em eliminar o efeito pejorativo dos radicais livres e combater a integridade das bases de adenina ou do dA20.Os antioxidantes estudados foram o ácido ascórbico e alguns ácidos fenólicos como o ácido hidroxibenzoico (ácido gálico) e ácidos hidroxicinâmicos (ácido cafeico e ácido cumárico). Estes antioxidantes têm a capacidade de neutralizar o radical hidroxilo e proteger a adenina/dA20 imobilizado na superfície do EPC. O comportamento da Lacase foi estudado na presença do ácido gálico e do ácido ascórbico. Os estudos eletroquímicos foram realizados através da voltametria de onda quadrada (VOQ), sendo que a interação entre a adenina/ou o dA20 imobilizada na superfície do EPC e os radicais livres na ausência e presença de antioxidantes foi avaliada por meio de mudanças no pico anódico produzido pela oxidação da adenina /dA20. Os resultados demonstraram que estes biossensores permitem a avaliação da capacidade antioxidante total em águas aromatizadas.

Capacidade antioxidante de cervejas comerciais

Mestrado em Engenharia Química

Electrochemical evaluation of total antioxidant capacity of beverages using a purine-biosensor

In this paper, it was evaluated the total antioxidant capacity (TAC) of beverages using an electrochemical biosensor. The biosensor consisted on the purine base (guanine or adenine) electro-immobilization on a glassy carbon electrode surface (GCE). Purine base damage was induced by the hydroxyl radical generated by Fenton-type reaction. Five antioxidants were applied to counteract the deleterious effects of the hydroxyl radical. The antioxidants used were ascorbic acid, gallic acid, caffeic acid, coumaric acid and resveratrol. These antioxidants have the ability to scavenger the hydroxyl radical and protect the guanine and adenine immobilized on the GCE surface. The interaction carried out between the purinebase immobilized and the free radical in the absence and presence of antioxidants was evaluated by means of changes in the guanine and adenine anodic peak obtained by square wave voltammetry (SWV). The results demonstrated that the purine-biosensors are suitable for rapid assessment of TAC in beverages.

Adverse effect of alcohol drinking: the role of oxidative stress

Atualmente, o álcool tem um papel importante na saúde pública e surge como um dos principais problemas sociais no mundo, dado que é a droga mais viciante aceite em encontros sociais. Provavelmente, por essa razão, os riscos do consumo abusivo do álcool são subestimados pelos jovens, mulheres grávidas e idosos. O álcool, quando ingerido em altas proporções, pode afetar todos os órgãos e desencadear inúmeras doenças, tais como a doença cardíaca coronariana, doença neurodegenerativa, as doenças crónicas e câncer. O álcool afeta ainda o estado psicológico, induzindo a violência, o estado antissocial e situações de risco de comportamentos. Por estas razões, o álcool tornou-se um foco principal da investigação, avaliando os seus efeitos sobre o corpo humano. Nesta pesquisa, foram suscitadas amostras de sangue de um grupo de pacientes em tratamento psicológico e/ou farmacêutico que serão analisadas com quatro métodos: Teste de Radicais Livres do Oxigénio (FORT), Defesa contra Radicais Livres do Oxigénio (FORD), cromatografia gasosa (GC) e cromatografia líquida de alta pressão (HPLC). Ambos os métodos FORT e FORD avaliam o stress oxidativo pela quantificação de radicais livres e a capacidade de antioxidantes em eliminar esses radicais livres, respetivamente. O stress oxidativo é o efeito do excesso de consumo de álcool, que é reduzido pela capacidade de ação dos antioxidantes. A boa reprodutibilidade, precisão e exatidão de ambos os métodos indicam que estes podem ser aplicados em rápidos diagnósticos. Para o método FORT e considerando o início do tratamento, os pacientes alcoólicos apresentaram uma média de 3,59±1.01mmol/LH2O2 e o grupo de controlo uma média de 1,42±0.53mmol/LH2O2, o que mostra uma diferença significativa entre os dois grupos (P=0,0006). Para o método FORD, pacientes alcoólicos apresentam uma média de 1,07±0.53mmol/LH2O2 e o grupo de controlo, uma média de 2,81±0.46mmol/LH2O2, mostrando também uma média significativa (P=0,0075). Após 15 dias de tratamento observou-se que há uma diferença entre os dois grupos de pacientes alcoólicos, mas não há nenhum melhoramento em relação ao grupo de pacientes em tratamento. No método FORT os grupos mostram uma diferença significativa (P=0,0073), tendo os pacientes sem tratamento farmacêutico melhores resultados (2.37±0.44mmol/LH2O2) do que os pacientes com tratamento (3.72±1,04mmol/LH2O2). O oposto ocorre no método FORD, os pacientes em tratamento farmacêutico presentam melhores resultados (1.16±0.65mmol/LH2O2) do que o outro grupo (0.75±0.22mmol/LH2O2), não sendo, no entanto, uma diferença significativa entre os dois grupos (P=0.16). Os resultados obtidos para a concentração de MDA pelo método de HPLC mostraram que o grupo de controlo tem valores mais baixos do que os pacientes alcoólicos, embora a diferença não seja muito significativa (P = 0,084), mas é ainda elevada. Além disso, os dois grupos de pacientes não apresentaram uma diferença significativa entre os seus resultados no início (P=0,77) e no fim (P=0,79) do tratamento. De acrescentar ainda que, os resultados da concentração de álcool no sangue determinados pelo método de CG mostraram que só alguns pacientes sem tratamento consumiram álcool durante o período de tratamento, o que influencia negativamente a conclusão sobre o efeito do tratamento. Contudo, outros fatores externos podem ainda influenciar os resultados finais, tais como o estado nutricional e estado psicológico dos pacientes, se o paciente continua a beber durante o tempo de tratamento ou até mesmo se o paciente é exposto a outros tipos de substâncias nocivas. Existe ainda a possibilidade de o tempo de aplicação do tratamento não ser suficiente para apresentar um efeito positivo em relação ao stress oxidativo e este é um outro fator que contribui para a impossibilidade de confirmar sobre o efeito, quer seja positivo ou negativo, do tratamento antioxidante.

Electrochemical determination of antioxidant capacities in flavored waters by guanine and adenine biosensors

The immobilization and electro-oxidation of guanine and adenine asDNA bases on glassy carbon electrode are evaluated by square wave voltammetric analysis. The influence of electrochemical pretreatments, nature of supporting electrolyte, pH, accumulation time and composition of DNA nucleotides on the immobilization effect and the electrochemical mechanism are discussed. Trace levels of either guanine or adenine can be readily detected following short accumulation time with detection limits of 35 and 40 ngmL−1 for guanine and adenine, respectively. The biosensors of guanine and adenine were employed for the voltammetric detection of antioxidant capacity in flavored water samples. The method relies on monitoring the changes of the intrinsic anodic response of the surface-confined guanine and adenine species, resulting from its interaction with free radicals from Fenton-type reaction in absence and presence of antioxidant. Ascorbic acid was used as standard to evaluate antioxidant capacities of samples. Analytical data was compared with that of FRAP method.

Electrocatalytic evaluation of DNA damage by superoxide radical for antioxidant capacity assessment

The integrity of DNA purine bases was herein used to evaluate the antioxidant capacity. Unlike other DNA-based antioxidant sensors reported so far, the damaging agent chosen was the O 2 radical enzymatically generated by the xanthine/xanthine oxidase system. An adenine-rich oligonucleotide was adsorbed on carbon paste electrodes and subjected to radical damage in the presence/absence of several antioxidant compounds. As a result, partial damage on DNA was observed. A minor product of the radical oxidation was identified by cyclic voltammetry as a diimine adenine derivative also formed during the electrochemical oxidation of adenine/guanine bases. The protective efficiency of several antioxidant compounds was evaluated after electrochemical oxidation of the remaining unoxidized adenine bases, by measuring the electrocatalytic current of NADH mediated by the adsorbed catalyst species generated. A comparison between O 2 and OH radicals as a source of DNA lesions and the scavenging efficiency of various antioxidant compounds against both of them is discussed. Finally, the antioxidant capacity of beverages was evaluated and compared with the results obtained with an optical method.

Towards a reliable technology for antioxidant capacity and oxidative damage evaluation: Electrochemical (bio)sensors

To counteract and prevent the deleterious effect of free radicals the living organisms have developed complex endogenous and exogenous antioxidant systems. Several analytical methodologies have been proposed in order to quantify antioxidants in food, beverages and biological fluids. This paper revises the electroanalytical approaches developed for the assessment of the total or individual antioxidant capacity. Four electrochemical sensing approaches have been identified, based on the direct electrochemical detection of antioxidant at bare or chemically modified electrodes, and using enzymatic and DNA-based biosensors.

Angolan cymbopogon citratus used for therapeutic benefits: nutritional composition and influence of solvents in phytochemicals content and antioxidant activity of leaf extracts

Folk medicine is a relevant and effective part of indigenous healthcare systems which are, in practice, totally dependent on traditional healers. An outstanding coincidence between indigenous medicinal plant uses and scientifically proved pharmacological properties of several phytochemicals has been observed along the years. This work focused on the leaves of a medicinal plant traditionally used for therapeutic benefits (Angolan Cymbopogon citratus), in order to evaluate their nutritional value. The bioactive phytochemical composition and antioxidant activity of leaf extracts prepared with different solvents (water, methanol and ethanol) were also evaluated. The plant leaves contained ~60% of carbohydrates, protein (~20%), fat (~5%), ash (~4%) and moisture (~9%). The phytochemicals screening revealed the presence of tannins, flavonoids, and terpenoids in all extracts. Methanolic extracts also contained alkaloids and steroids. Several methods were used to evaluate total antioxidant capacity of the different extracts (DPPH; NO; and H2O2 scavenging assays, reducing power, and FRAP). Ethanolic extracts presented a significantly higher antioxidant activity (p < 0.05) except for FRAP, in which the best results were achieved by the aqueous extracts. Methanolic extracts showed the lowest radical scavenging activities for both DPPH; and NO; radicals.

Construção de Biossensores de ADN para a Avaliação da Capacidade Antioxidante

Mestrado em Engenharia da Computação e Instrumentação Médica

A biomimetic sensor for monitoring oxidative stress biomarker in point-of-care

1st ASPIC International Congress

Adverse Effect of Alcohol Drinking: The Role of Oxidative Stress

Atualmente, o álcool tem um papel importante na saúde pública e surge como um dos principais problemas sociais no mundo, dado que é a droga mais viciante aceite em encontros sociais. Provavelmente, por essa razão, os riscos do consumo abusivo do álcool são subestimados pelos jovens, mulheres grávidas e idosos. O álcool, quando ingerido em altas proporções, pode afetar todos os órgãos e desencadear inúmeras doenças, tais como a doença cardíaca coronariana, doença neurodegenerativa, as doenças crónicas e câncer. O álcool afeta ainda o estado psicológico, induzindo a violência, o estado antissocial e situações de risco de comportamentos. Por estas razões, o álcool tornou-se um foco principal da investigação, avaliando os seus efeitos sobre o corpo humano. Nesta pesquisa, foram suscitadas amostras de sangue de um grupo de pacientes em tratamento psicológico e/ou farmacêutico que serão analisadas com quatro métodos: Teste de Radicais Livres do Oxigénio (FORT), Defesa contra Radicais Livres do Oxigénio (FORD), cromatografia gasosa (GC) e cromatografia líquida de alta pressão (HPLC). Ambos os métodos FORT e FORD avaliam o stress oxidativo pela quantificação de radicais livres e a capacidade de antioxidantes em eliminar esses radicais livres, respetivamente. O stress oxidativo é o efeito do excesso de consumo de álcool, que é reduzido pela capacidade de ação dos antioxidantes. A boa reprodutibilidade, precisão e exatidão de ambos os métodos indicam que estes podem ser aplicados em rápidos diagnósticos. Para o método FORT e considerando o início do tratamento, os pacientes alcoólicos apresentaram uma média de 3,59±1.01mmol/LH2O2 e o grupo de controlo uma média de 1,42±0.53mmol/LH2O2, o que mostra uma diferença significativa entre os dois grupos (P=0,0006). Para o método FORD, pacientes alcoólicos apresentam uma média de 1,07±0.53mmol/LH2O2 e o grupo de controlo, uma média de 2,81±0.46mmol/LH2O2, mostrando também uma média significativa (P=0,0075). Após 15 dias de tratamento observou-se que há uma diferença entre os dois grupos de pacientes alcoólicos, mas não há nenhum melhoramento em relação ao grupo de pacientes em tratamento. No método FORT os grupos mostram uma diferença significativa (P=0,0073), tendo os pacientes sem tratamento farmacêutico melhores resultados (2.37±0.44mmol/LH2O2) do que os pacientes com tratamento (3.72±1,04mmol/LH2O2). O oposto ocorre no método FORD, os pacientes em tratamento farmacêutico presentam melhores resultados (1.16±0.65mmol/LH2O2) do que o outro grupo (0.75±0.22mmol/LH2O2), não sendo, no entanto, uma diferença significativa entre os dois grupos (P=0.16). Os resultados obtidos para a concentração de MDA pelo método de HPLC mostraram que o grupo de controlo tem valores mais baixos do que os pacientes alcoólicos, embora a diferença não seja muito significativa (P = 0,084), mas é ainda elevada. Além disso, os dois grupos de pacientes não apresentaram uma diferença significativa entre os seus resultados no início (P=0,77) e no fim (P=0,79) do tratamento. De acrescentar ainda que, os resultados da concentração de álcool no sangue determinados pelo método de CG mostraram que só alguns pacientes sem tratamento consumiram álcool durante o período de tratamento, o que influencia negativamente a conclusão sobre o efeito do tratamento. Contudo, outros fatores externos podem ainda influenciar os resultados finais, tais como o estado nutricional e estado psicológico dos pacientes, se o paciente continua a beber durante o tempo de tratamento ou até mesmo se o paciente é exposto a outros tipos de substâncias nocivas. Existe ainda a possibilidade de o tempo de aplicação do tratamento não ser suficiente para apresentar um efeito positivo em relação ao stress oxidativo e este é um outro fator que contribui para a impossibilidade de confirmar sobre o efeito, quer seja positivo ou negativo, do tratamento antioxidante.