Los biosensores del futuro hechos con sólo tres elementos

Esquema del funcionamiento de los biosensores. | P.A. Serena

Pedro A. Serena es investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Cantoblanco).

La nanotecnología es un punto de encuentro de diversas disciplinas como la física, la química, la biología, las ciencias de la computación, la ingeniería, etc. Este carácter multidisciplinar ha favorecido investigaciones en la frontera entre dichas disciplinas, propiciando descubrimientos que ya son de aplicación en múltiples sectores y nos ayudarán a enfrentarnos a los grandes retos que los seres humanos tenemos ante nosotros: medioambiente, salud, energía, transporte, comunicaciones, alimentación, etc.

Uno de los campos en los que la nanotecnología está aportando más novedades es el de los sensores. En particular, una familia entera de sensores, los biosensores, tienen un impacto directo sobre el futuro de la medicina, el medioambiente y la alimentación. De forma simple se puede decir que un biosensor es un dispositivo capaz de detectar y cuantificar la presencia de una sustancia biológica en un medio a partir del procesado de las señales ópticas, eléctricas o mecánicas que se producen durante la interacción de dicha sustancia con el biosensor.

Aplicaciones de los biosensores

En el caso de los biosensores de uso médico, su miniaturización extrema permitirá su implantación en nuestro cuerpo para realizar medidas in situ y en tiempo real, proporcionando un avance sin precedentes en el diagnóstico de enfermedades. Esta clase de biosensores tienen que estar fabricados por materiales que, en primer lugar, no alteren la función de las moléculas de nuestro organismo (biocompatibilidad) y, en segundo, ejerzan correctamente su función en nuestro organismo (bioactividad). Por esta razón es de suma importancia conocer el comportamiento de diferentes biomoléculas frente a diferentes materiales. Entre éstos, tanto los nanotubos de carbono como el grafeno han despertado un gran interés ya sea por su impresionante capacidad para conducir la electricidad, su relativamente fácil funcionalización y su posible biocompatibilidad al ser materiales basados en el carbono.

Las biomoléculas

En los laboratorios, la interacción de complejas biomoléculas con diferentes superficies se estudia con sofisticados aparatos como los Microscopios de Fuerzas Atómicas (AFM). Sin embargo, estos instrumentos no pueden explicar completamente el mecanismo de adsorción de dichas biomoléculas. Sin duda alguna, una mejor comprensión de estas interacciones optimizaría el desarrollo de estos biosensores.

Recientemente hemos utilizado una aproximación radicalmente distinta, que consiste en utilizar simulaciones para descifrar las claves de estos procesos de adsorción. Con la ayuda de complejos códigos de computación podemos determinar el mecanismo de adsorción de una biomolécula dada sobre una superficie en presencia de un medio fisiológico. La gran cantidad de átomos que deben tenerse en cuenta para resolver este tipo de problemas, nos condujo a utilizar herramientas no convencionales, como el código AMBER (http://ambermd.org/). En particular hemos estudiado la adsorción sobre grafeno de las dos proteínas más abundantes en el plasma sanguíneo humano, la albúmina del suero humano (HSA) y un anticuerpo de gran importancia, la inmunoglobulina G (IgG).

El grafeno

Estos estudios requieren simulaciones de diversas etapas como el acercamiento de la biomolécula a la superficie de grafeno, su estabilización y su posterior separación. Por lo general estos ciclos de simulaciones deben repetirse varias veces para tener en cuenta otros factores como diferentes valores de pH, diferentes orientaciones de las biomoléculas con relación al sustrato, la presencia de cargas o defectos sobre el sustrato, etc. De estas simulaciones, además, se puede extraer información cuantitativa relevante como la energía que debemos aplicar a una molécula con una configuración dada para desligarla del sustrato.

Las supercomputadoras

Los sistemas que estudiamos están formados por cientos de miles de átomos que evolucionan durante tiempos relativamente grandes (de más de 150 ns). Para abordar estas simulaciones necesariamente se necesitan herramientas de trabajo excepcionales: los supercomputadores. En nuestro caso hemos conseguido tiempo de cálculo en el sistema MinoTauro, potente supercomputador que cuenta con cientos de miles de núcleos de computación ubicados en tarjetas gráficas (GPUs) similares a las que se utilizan en los ordenadores personales. MinoTauro está gestionado por el Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC) (http://www.bsc.es/).

Resultados

Los resultados de dichas simulaciones demuestran dos cosas: (i) el grafeno no induce cambios estructurales ni funcionales en dos de las más abundantes proteínas del plasma tal como se observa en las imágenes; y (ii) el anticuerpo IgG , el marcador/biosensor por excelencia de nuestro organismo, se mantiene anclado y activo sobre la superficie de grafeno.

Estos resultados son muy prometedores puesto que abren las puertas al desarrollo de un nuevo tipo de biosensores con los que desarrollar herramientas de diagnóstico. Otro resultado de nuestras investigaciones es la determinación de las posiciones más estables de los anticuerpos sobre la superficie de grafeno, lo que permite realizar comparaciones directas con datos obtenidos mediante experimentos de AFM. En la figura se muestran dos vistas (lateral y superior) de dos posibles configuraciones de equilibrio de la biomolécula IgG situada sobre una superficie de tres capas de grafeno.

Todos estos resultados han sido obtenidos por el equipo formado por Rubén Pérez de la Universidad Autónoma de Madrid, y Guilherme Vilhena, Perceval Vellosillo y yo mismo, miembros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Las investigaciones se realizaron en el marco dos grandes proyectos, el Programa “NanoObjetos” financiado por la Comunidad Autónoma de Madrid y el Proyecto Consolider “Force-for-Future” financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. Esta colaboración es un ejemplo de las sinergias establecidas dentro del Campus de Excelencia Internacional UAM+CSIC.

En resumen, la combinación de poderosos códigos informáticos e imponentes sistemas de computación nos permite abordar fascinantes problemas en la frontera entre la física, la química y la biología. Los resultados obtenidos permitirán una mejor interpretación de resultados experimentales y serán el punto de partida para que ingenieros y biotecnólogos pongan a punto los prototipos de los biosensores del futuro. Esta convergencia de métodos e ideas son un anticipo de lo que previsiblemente ocurrirá en el futuro, cuando se profundice en el gran esquema convergente NBIC (nano+bio+info+cogno), pero esa es otra historia.


Los biosensores del futuro hechos con sólo tres elementos | Nanotecnología | elmundo.es.

2 comentarios

Archivado bajo Nanotecnología, Nuevos materiales, Técnicas y métodos, Tecnología

2 Respuestas a “Los biosensores del futuro hechos con sólo tres elementos

  1. Pingback: Los biosensores del futuro hechos con sólo tres elementos | FUNDACIÓN FEFSA

  2. Pingback: Los biosensores del futuro hechos con só...