Un biosensor sintético que imita las propiedades que se encuentran en las membranas celulares y proporciona una lectura electrónica de la actividad podría conducir a una mejor comprensión de la biología celular, el desarrollo de nuevos medicamentos y la creación de órganos sensoriales en un chip capaz de detectar sustancias químicas, de forma similar a como funcionan las narices. y las lenguas funcionan.
El 18 de enero se publicó en la Biología sintética Revista de la Sociedad Química Americana.
La hazaña de bioingeniería descrita en el artículo utiliza biología sintética para recrear una membrana celular y sus proteínas incrustadas, que son guardianes de las funciones celulares. Una plataforma de detección conductora permite una lectura electrónica cuando se activa una proteína. Ser capaz de probar si una molécula reacciona con las proteínas en una membrana celular y cómo reacciona podría generar muchas aplicaciones.
Pero incrustar proteínas de membrana en sensores había sido notoriamente difícil hasta que los autores del estudio combinaron sensores bioelectrónicos con un nuevo enfoque para sintetizar proteínas.
«Esta tecnología realmente nos permite estudiar estas proteínas de maneras que serían increíblemente desafiantes, si no imposibles, con la tecnología actual», dijo el primer autor Zachary Manzer, estudiante de doctorado en el laboratorio de la autora principal Susan Daniel, Fred H. Rhodes. Profesor y director de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular Robert Frederick Smith en Cornell Engineering.
Las proteínas dentro de las membranas celulares cumplen muchas funciones importantes, incluida la comunicación con el medio ambiente, la catalización de reacciones químicas y el movimiento de compuestos e iones a través de las membranas. Cuando se activa un receptor de proteína de membrana, los iones cargados se mueven a través de un canal de membrana, desencadenando una función en la célula. Por ejemplo, las neuronas del cerebro o las células musculares se disparan cuando las señales de los nervios indican que se abran los canales de iones de calcio cargados.
Los investigadores han creado un biosensor que parte de un polímero conductor, que es suave y fácil de trabajar, encima de un soporte que en conjunto actúa como un circuito eléctrico que es monitoreado por una computadora. Una capa de moléculas de lípidos (grasas), que forma la membrana, se encuentra encima del polímero y las proteínas de interés se colocan dentro de los lípidos.
En esta prueba de concepto, los investigadores crearon una plataforma libre de células que les permitió sintetizar una proteína modelo directamente en esta membrana artificial. El sistema tiene una tecnología de lectura dual incorporada. Dado que los componentes del sensor son transparentes, los investigadores pueden usar técnicas ópticas, como proteínas de ingeniería que emiten fluorescencia cuando se activan, lo que permite a los científicos estudiar los fundamentos a través del microscopio y observar qué sucede con el proteína misma durante un proceso celular. También pueden registrar la actividad electrónica para ver cómo funciona la proteína a través de un diseño de circuito inteligente.
«Esta es realmente la primera demostración de aprovechar la síntesis libre de células de proteínas transmembrana en biosensores», dijo Daniel. «No hay ninguna razón por la que no podamos expresar muchos tipos diferentes de proteínas en esta plataforma general».
Actualmente, los investigadores han utilizado proteínas cultivadas y extraídas de células vivas para aplicaciones similares, pero dado este avance, los usuarios no tendrán que cultivar proteínas en células y luego recolectarlas e incorporarlas en la plataforma de membrana. En cambio, pueden sintetizarlos directamente a partir del ADN, la plantilla básica de las proteínas.
«Podemos pasar por alto todo el proceso de la célula como la fábrica que produce la proteína», dijo Daniel, «y biofabricar las proteínas nosotros mismos».
Con un sistema de este tipo, un químico farmacéutico interesado en una proteína particular implicada en una enfermedad podría hacer fluir moléculas potencialmente terapéuticas a través de esa proteína para ver cómo responde. O un científico que busque crear un sensor ambiental podría colocar en la plataforma una proteína particular que sea sensible a un químico o contaminante, como las que se encuentran en el agua de un lago.
«Si piensas en tu nariz o tu lengua, cada vez que hueles o saboreas algo, los canales iónicos se disparan», dijo Manzer. Los científicos ahora pueden tomar las proteínas que se activan cuando olemos algo y traducir los resultados a este sistema electrónico para detectar cosas que podrían ser indetectables con un sensor químico».
El nuevo sensor abre la puerta para que los farmacólogos investiguen cómo crear analgésicos no opioides o medicamentos para tratar el Alzheimer o la enfermedad de Parkinson, que interactúan con las proteínas de la membrana celular.
Surajit Ghosh, investigadora posdoctoral en el laboratorio de Daniel, es coautora principal. Neha Kamat, profesora asistente de ingeniería biomédica en la Universidad Northwestern, es coautora principal del artículo.
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Asociación Estadounidense del Corazón, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
