El dispositivo puede adaptarse para analizar cualquier fluido corporal, como sangre, lágrimas o saliva, e incluso integrarse en móviles y ordenadores como medidor portátil
SALUD A DIARIO
La imagen muestra la escala de este innovador sensor (izquierda), que podría utilizarse para detectar cánceres difíciles de diagnosticar o tumores metastásicos. / MIT
Inspirándose en los sistemas sensoriales naturales, un equipo dirigido por el Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha diseñado un sensor novedoso que podría detectar las mismas moléculas que pueden identificar los receptores celulares naturales.
En un trabajo que combina varias tecnologías innovadoras, los autores crearon un prototipo de sensor que puede detectar una molécula inmune llamada CXCL12 hasta decenas o cientos de partes por billón. Este es un primer paso importante para desarrollar un sistema que podría usarse para realizar exámenes de rutina para cánceres difíciles de diagnosticar o tumores metastásicos, o también como una nariz electrónica altamente biomimética, según afirman los investigadores.
“Nuestra esperanza es desarrollar un dispositivo sencillo que permita hacer pruebas en casa, con alta especificidad y sensibilidad. Cuanto antes se detecte el cáncer, mejor será el tratamiento, así que el diagnóstico precoz es un área importante en la que queremos trabajar”, afirma Shuguang Zhang, investigador principal del Media Lab del MIT.
El dispositivo se inspira en la membrana que rodea todas las células. Dentro de esas membranas hay miles de proteínas receptoras que detectan moléculas en el entorno. El equipo del MIT modificó algunas de estas proteínas para que pudieran sobrevivir fuera de la membrana y las ancló en una capa de proteínas cristalizadas sobre una matriz de transistores de grafeno. Cuando se detecta la molécula diana en una muestra, estos transistores transmiten la información a un ordenador o smartphone.
Para el análisis de fluidos corporales
Según los investigadores, este tipo de sensor podría adaptarse para analizar cualquier fluido corporal, como sangre, lágrimas o saliva, y podría detectar muchas dianas diferentes simultáneamente, dependiendo del tipo de proteínas receptoras utilizadas.
“Identificamos receptores críticos de sistemas biológicos y los anclamos a una interfaz bioelectrónica, lo que nos permite recoger todas esas señales biológicas y transducirlas a salidas eléctricas que pueden ser analizadas e interpretadas por algoritmos de aprendizaje automático”, explica Rui Qing, antiguo investigador del MIT que ahora es profesor asociado de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
Qing y Mantian Xue, son los autores principales del estudio, publicado esta semana en Science Advances. Junto con Zhang, también son autores principales Tomás Palacios, director del Laboratorio de Microsistemas del MIT y catedrático de Ingeniería Eléctrica e Informática, y Uwe Sleytr, catedrático emérito del Instituto de Bioarquitecturas Sintéticas de la Universidad de Recursos Naturales y Ciencias de la Vida de Viena.
Sin membranas
La mayoría de los sensores de diagnóstico actuales se basan en anticuerpos o aptámeros (cadenas cortas de ADN o ARN) que pueden captar una molécula diana concreta de un fluido como la sangre. Sin embargo, ambos métodos tienen limitaciones: los fluidos corporales descomponen fácilmente los aptámeros y la fabricación de anticuerpos idénticos puede resultar difícil.
Un método alternativo que los científicos han explorado es la construcción de sensores basados en las proteínas receptoras de las membranas celulares, que las células utilizan para controlar y responder a su entorno.
El genoma humano codifica miles de estos receptores. Sin embargo, es difícil trabajar con estas proteínas receptoras porque, una vez extraídas de la membrana celular, sólo mantienen su estructura si se suspenden en un detergente.
En 2018, Zhang, Qing y otros investigadores informaron de una forma novedosa de transformar proteínas hidrofóbicas en proteínas solubles en agua, intercambiando unos pocos aminoácidos hidrofóbicos por aminoácidos hidrofílicos. Este método se denomina código QTY, por las letras que representan los tres aminoácidos hidrófilos —glutamina, treonina y tirosina— que sustituyen a los aminoácidos hidrófobos leucina, isoleucina, valina y fenilalanina.
Ilustración esquemática de la arquitectura del sensor diseñado por los investigadores. Pinche sobre la imagen para más información. / Fig. ‘Science Advances’Producción masiva a bajo coste
“Hace décadas que se intenta utilizar receptores para la detección, pero es difícil generalizar su uso, porque los receptores necesitan detergente para mantenerse estables. Lo novedoso de nuestro método es que podemos hacerlos solubles en agua y producirlos en grandes cantidades a bajo coste“, explica Zhang.
Zhang y Sleytr, que colaboran desde hace tiempo, decidieron unirse para intentar fijar versiones hidrosolubles de proteínas receptoras a una superficie, utilizando proteínas bacterianas que Sleytr ha estudiado durante muchos años. Estas proteínas, conocidas como proteínas de la capa S, se encuentran en la capa superficial más externa de la envoltura celular de muchos tipos de bacterias y arqueas.
Cuando las proteínas de la capa S se cristalizan, forman conjuntos monomoleculares coherentes sobre una superficie. Sleytr había demostrado anteriormente que estas proteínas pueden fusionarse con otras, como anticuerpos o enzimas.
Para este estudio, los investigadores, entre ellos el científico Andreas Breitwieser, también coautor del artículo, utilizaron proteínas de capa S para crear una lámina muy densa e inmovilizada de una versión hidrosoluble de una proteína receptora llamada CXCR4. Este receptor se une a una molécula diana llamada CXCL12, que desempeña funciones importantes en varias enfermedades humanas, incluido el cáncer, y a una glicoproteína de cubierta del VIH, responsable de la entrada del virus en las células humanas.
“Utilizamos estos sistemas de capa S para permitir que todas estas moléculas funcionales se adhieran a una superficie en una matriz monomolecular, en una distribución y orientación muy bien definidas”, explica Sleytr. “Es como un tablero de ajedrez en el que se pueden colocar las distintas piezas de forma muy precisa”, agrega.
Los investigadores bautizaron su tecnología de detección como RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).
Sensibilidad con biomimetismo
Estas capas S cristalizadas pueden depositarse casi sobre cualquier superficie. Para esta aplicación, los investigadores fijaron la capa S a un chip con matrices de transistores basados en grafeno que el laboratorio de Palacios había desarrollado previamente. El grosor monoatómico de los transistores de grafeno los hace ideales para el desarrollo de detectores de alta sensibilidad.
Trabajando en el laboratorio de Palacios, Xue adaptó el chip para que pudiera recubrirse con una doble capa de proteínas: proteínas cristalizadas de capa S unidas a proteínas receptoras hidrosolubles. Cuando una molécula diana de la muestra se une a una proteína receptora, la carga de la diana cambia las propiedades eléctricas del grafeno de un modo que puede cuantificarse fácilmente y transmitirse a un ordenador o smartphone conectado al chip.
“Elegimos el grafeno como material transductor porque tiene unas propiedades eléctricas excelentes, lo que significa que puede traducir mejor esas señales. Tiene la mayor relación superficie-volumen, porque es una lámina de átomos de carbono, de modo que cada cambio en la superficie, causado por los eventos de unión de proteínas, se traduce directamente a todo el grueso del material”, explica Xue.
El futuro: un sensor portátil integrado en móviles y ordenadores
El chip transistorizado de grafeno puede recubrirse con proteínas receptoras de capa S con una densidad de un billón de receptores por centímetro cuadrado con orientación hacia arriba. Esto permite al chip aprovechar la máxima sensibilidad que ofrecen las proteínas receptoras, dentro del rango clínicamente relevante para los analitos diana en el cuerpo humano.
El chip de matriz integra más de 200 dispositivos, lo que proporciona una redundancia en la detección de señales que ayuda a garantizar mediciones fiables incluso en el caso de moléculas poco frecuentes, como las que podrían revelar la presencia de un tumor en fase inicial o el inicio de la enfermedad de Alzheimer, afirman los investigadores.
Gracias a la utilización del código QTY, es posible modificar proteínas receptoras existentes de forma natural que podrían utilizarse, según los autores del trabajo, para generar una matriz de sensores en un único chip para examinar prácticamente cualquier molécula que las células puedan detectar.
“Lo que pretendemos es desarrollar la tecnología básica para hacer posible un futuro dispositivo portátil que podamos integrar con teléfonos móviles y ordenadores, de modo que se pueda hacer una prueba en casa y averiguar rápidamente si hay que ir al médico”, afirma Qing.
___________________
Referencia científica:
Rui Qing et al. ‘Scalable biomimetic sensing system with membrane receptor dual-monolayer probe and graphene transistor arrays. Sci. Adv. 9, eadf1402(2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1402
__________
Fuente:
