Del covid al plomo
Un nuevo biosensor portátil, mil veces más sensible que sus antecesores, permite identificar contaminantes en el agua, como el plomo, en minutos y sin necesidad de laboratorio. El test nació de la experiencia de la pandemia. El trabajo continúa y el objetivo es que pueda reconocer y medir otros metales riesgosos para la salud, además de virus como el dengue y el Zika.
En la lucha contra la contaminación ambiental, el tiempo y la precisión son factores críticos. Tradicionalmente, detectar metales pesados en el agua requería tomar muestras en el campo, trasladarlas a un laboratorio y utilizar dispositivos costosos y complejos. Sin embargo, un equipo de científicas y científicos argentinos ha logrado condensar toda esa capacidad analítica en una tira de papel similar a un test de embarazo o de COVID-19.
La idea de este sensor no surgió de la nada, sino de la capacidad instalada durante la emergencia sanitaria declarada en marzo del 2020. Ana Sol Peinetti, investigadora del CONICET en el INQUIMAE (UBA – CONICET) en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, explica que durante ese tiempo pusieron a punto plataformas para desarrollar tests rápidos a gran escala. “Esa experiencia previa, que construimos durante la pandemia, nos permite ahora pensar nuevas ideas para lograr que no solo sirvan como un sistema de monitoreo, sino que además puedan poseer la sensibilidad necesaria para hacer diagnóstico”, resume la investigadora.
El proyecto se consolidó ante una necesidad concreta de la Autoridad de Cuenca Matanza Riachuelo (ACUMAR): monitorear el plomo de forma constante en una cuenca enorme donde hoy solo pueden tomarse muestras puntuales cada tres meses. El desafío era que los biosensores portátiles existentes no tenían la sensibilidad suficiente para detectar los bajísimos niveles de plomo que exigen las normas internacionales.
Para que el resultado sea visible y ultrasensible, el grupo de trabajo diseñó “sondas de ADN con un efecto de avidez”.
Desde Italia, adonde se encuentra actualmente haciendo una estadía doctoral, Carolina Silva (también del INQUIMAE), destaca: “Haber trabajado con ensayos de flujo lateral, la plataforma de los test rápidos de COVID-19, nos permitió contar un punto de partida sólido. Teníamos ya los equipos, los recursos y, sobre todo, un amplio conocimiento respecto de las dificultades que podíamos encontrar durante el diseño de este tipo de ensayo y cómo pensar estrategias para superarlas. Lo novedoso fue acoplarlo a técnicas de biología sintética, otra herramienta muy poderosa”.
Ana Sol Peinetti, Daiana Capdevila y Matías Villarruel Dujovne. Fotografía: Luiza Cavalcante.
Sondas con gancho
Fue para resolver el problema de la sensibilidad necesaria en los biosensores que el equipo de investigación recurrió a la biología sintética. “Con ella buscamos aprovechar el conocimiento de distintas ramas de la biología para reutilizar organismos o sus componentes y desarrollar nuevas herramientas -describe Matías Villarruel Dujovne, del Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires (IIBBA)/ Fundación Instituto Leloir (FIL)-. En el laboratorio estudiamos proteínas que las bacterias utilizan para detectar y responder a las sustancias que las rodean. Utilizamos estas proteínas para desarrollar un biosensor libre de células capaz de detectar contaminantes en agua. Esta técnica permite extraer la maquinaria de las células y ponerla a funcionar en un tubo de ensayo o sobre una tira de papel, lo que se conoce como sistemas libres de células».
En términos sencillos, el sensor funciona como un circuito: si hay plomo en la muestra, este activa una reacción de transcripción in vitro (un proceso donde se copia información genética de ADN a ARN). “Se lo describe como libre de células porque es un dispositivo de medición basado en componentes biológicos y circuitos genéticos que ocurren en las células, pero que ya no necesita ningún organismo vivo para funcionar”, simplifica Daiana Capdevila, investigadora del IIBA/FIL.
Para que el resultado sea visible y ultrasensible, los científicos argentinos diseñaron “sondas de ADN con un efecto de avidez”. ¿Qué es esto? En su versión anterior, el dispositivo generaba una señal fluorescente a partir de la producción de una molécula de ARN para indicar la presencia de un contaminante por encima del límite permitido.
El hallazgo principal es que este nuevo método es mil veces más sensible que otros biosensores portátiles similares reportados hasta la fecha.
Para el caso de esta investigación en particular, publicada recientemente en la prestigiosa revista Biosensors and Bioelectronics, los investigadores adaptaron esta señal para utilizarla en un test de flujo lateral, similar a los test rápidos que todos conocemos.
“Para esto, tuvimos que diseñar sondas de ADN capaces de reconocer el ARN producido por el sensor. Estas sondas están diseñadas para ser complementarias al ARN, formando una especie de sándwich que permite capturarlo y retenerlo, resultando en las líneas de color que suelen verse en estos test -puntualizan Silva y Villarruel Dujovne-. En el trabajo, observamos que, si nuestras sondas pueden unirse a más de un sitio dentro del ARN generado, la sensibilidad del test aumenta. Esto se debe a un efecto de avidez: al tener varios puntos de unión entre las sondas y el ARN, la captura se vuelve más estable y eficiente”.
Ana Sol Peinetti resume el concepto: “Ingeniamos moléculas de ADN cortas sintéticas y de ese modo podemos hacer que más de una reconozca el mismo producto. Eso otorga el efecto de avidez o de cooperatividad que, a la larga, mejora la unión y la sensibilidad.” Es como si, en lugar de intentar atrapar el contaminante con un solo anzuelo, se utilizara un gancho múltiple que asegura la captura y amplifica la señal visual en la tira.
El hallazgo principal es que este nuevo método es mil veces más sensible que otros biosensores portátiles similares reportados hasta la fecha. El dispositivo logró detectar plomo en muestras reales de agua superficial no tratada, cumpliendo con los estándares de la Organización Mundial de la Salud (OMS), que fija el límite en 10 partes por billón (ppb), y la regulación argentina de 50 ppb.
El dispositivo logró detectar plomo en muestras reales de agua superficial no tratada, cumpliendo con los estándares de la Organización Mundial de la Salud.
Además, el sensor es, por decirlo de algún modo, sintonizable: ajustando el tiempo de la reacción o la concentración de sus componentes, los científicos pueden decidir a qué nivel de contaminación se enciende la banda de color en el test.
El futuro: del plomo al dengue
A pesar de las dificultades económicas y de financiamiento en el sector científico local, el grupo continúa avanzando gracias al apoyo de la Fundación Pew de los Estados Unidos, que les otorgó el Innovation Fund Award, un reconocimiento que reciben solo siete proyectos de biomedicina al año en todo el mundo. Actualmente, los investigadores están enfocados en dos frentes. “Este trabajo nos permitió verificar que somos capaces de modificar distintos parámetros para encontrar el rango donde queremos detectar contaminantes como iones metálicos, y ahora queremos ampliar el repertorio de moléculas y sustancias de interés que podemos detectar”, explica Silva.
La investigación continúa con el multiplexado, que consiste en crear una única tira que pueda detectar varios metales (plomo, zinc, arsénico, mercurio) al mismo tiempo.
Por un lado, la investigación continúa con el multiplexado, que consiste en crear una única tira que pueda detectar varios metales (plomo, zinc, arsénico, mercurio) al mismo tiempo. “En nuestro laboratorio también trabajamos con ácidos nucleicos, no solo desde un punto de vista biológico sino funcional -sigue detallando Carolina Silva-. Uno piensa en el ADN como la molécula de la herencia, pero es mucho más versátil que eso y presenta muchas ventajas interesantes para ensayos del tipo in vitro, como lo son los test rápidos. Algunas de ellas pueden seleccionarse en el laboratorio mediante un proceso de prueba y error dirigido, para detectar una diversa cantidad de moléculas y sustancias con alta afinidad y selectividad. Es un método rápidamente adaptable. Estas moléculas de ADN, llamadas aptámeros, pueden ser usadas como un componente más dentro del diseño planteado desde la biología sintética, y reemplazar a las proteínas bacterianas que tienen un repertorio de detección natural más limitado. Luego podemos trasladar esos resultados a la lectura simple que ofrece la tira tal como hicimos en este trabajo”.
La segunda área en la que se concentran los esfuerzos del equipo de investigación es la de la salud humana, y consiste en adaptar la tecnología para detectar virus como el Dengue y el Zika. “Es una plataforma que realmente nos tiene muy entusiasmados por las aplicaciones que puede tener y porque creemos que realmente se puede llevar al campo”, concluye Peinetti, destacando que este avance demuestra que “sin ciencia básica no hay ciencia aplicada”.
El trabajo lo está llevando a cabo por un equipo interdisciplinario, liderado por Ana Sol Peinetti y Daiana Capdevila. Además de Matías Villarruel Dujovne y Carolina Silva, también participan del mismo Fátima Álvarez Rocco, y especialistas del laboratorio ambiental de ACUMAR.
