El truco de amplificación hace que la detección de toxinas del agua sea 10 veces más sensible

Un instrumento eléctrico desenchufado puede funcionar, pero suena mucho mejor cuando está conectado a un amplificador. De manera similar, las toxinas y otras moléculas pequeñas en bajas concentraciones en el medio ambiente o en el cuerpo humano pueden emitir señales silenciosas que son indetectables sin tecnología de laboratorio especializada.

Ahora, gracias a un «truco genial» en bioquímica utilizado para adaptar una plataforma de detección que los científicos de Northwestern ya están implementando para medir las toxinas en el agua potable, los investigadores pueden detectar e incluso medir sustancias químicas en concentraciones lo suficientemente bajas como para utilizarlas fuera del laboratorio. Al conectar un circuito similar a una perilla de volumen para «aumentar» las señales débiles, el equipo ha abierto la puerta para que el sistema se aplique a la detección y monitoreo de enfermedades en el cuerpo humano para ácidos nucleicos como ADN y ARN, así como bacterias como como E. coli.

Los resultados, que describen un sistema que es 10 veces más sensible que los sensores sin células anteriores construidos por el equipo, son publicado en el diario Naturaleza Química Biología.

«Los biosensores reutilizados de la naturaleza pueden, en principio, detectar todo un espectro de contaminantes y marcadores de salud humana, aunque a menudo no son lo suficientemente sensibles», dijo el autor correspondiente y biólogo sintético de Northwestern, Julius Lucks. «Al agregar circuitos genéticos que actúan como un amplificador, podemos hacer que esta plataforma de biodetección cumpla con los niveles de sensibilidad necesarios para su aplicación en el monitoreo de la salud humana y ambiental».

Lucks es profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética.

Diseñar una ‘prueba de embarazo para el agua’

El modelo original de ROSALIND podía detectar 17 contaminantes diferentes en una sola gota de agua, brillando en verde cuando un contaminante excedía los estándares de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Un segundo modelo permitió a la plataforma calcular diferentes concentraciones de contaminantes, creando algo más sofisticado que una «prueba de embarazo para el agua».

Lucks y su equipo utilizaron un enfoque llamado biología sintética libre de células para crear ROSALIND, en el que la maquinaria molecular (como el ADN, el ARN y las proteínas) se elimina de las células y luego se reprograma para realizar nuevas tareas.

Un error útil en el sistema.

Los biólogos sintéticos que trabajan con ADN y ARN a menudo se topan con una némesis inútil llamada enzima ARN polimerasa T7, que Lucks compara con la batería de radio por su papel en la emisión de señales de salida. Para la mayoría, la enzima también puede actuar como un error en el sistema, devorando fragmentos de ARN que no debería y causando estragos en los circuitos de ácido nucleico. Pero Lucks se preguntó si podría utilizarlo en su beneficio.

Lucks utiliza la historia de la radio de transistores para explicar los avances en la plataforma de detección construida por su equipo, llamada ROSALIND (llamada así en honor a la química Rosalind Franklin y abreviatura de «sensores de salida de ARN activados por inducción de ligando»).

«Se podría construir la primera radio de transistores en su clase de Electrónica 101 y recibiría una señal de radio, pero tiene todo tipo de problemas», dijo Lucks. «Si caminas detrás de un árbol, perderás la señal, y si caminas más cerca de la fuente, se volverá más fuerte. En generaciones futuras de esa radio, agregaron circuitos electrónicos adicionales para controlar y corregir esas cosas. Esta iteración es básicamente agregar una perilla de volumen a la radio».

Con un truco de amplificación de señal de la nanotecnología del ADN que permite que un circuito recicle y reproduzca su entrada, los investigadores encontraron un método para aumentar la señal de una molécula de entrada. Cuando se genera una señal, el «bicho» la come y la recicla, generando otra señal. El resultado permitió al equipo detectar moléculas, como antibióticos y metales pesados, en una fracción de la concentración que en iteraciones anteriores.

«Creamos un nuevo sistema para amplificar señales en ROSALIND», dijo la primera autora Jenni Li, Ph.D. candidato en el laboratorio de Suerte. «Debido a un truco genial en bioquímica, esto nos permite sensibilizar el sistema para detectar compuestos en niveles más bajos sin cambiar la proteína biosensora real. Todo esto se hace en ‘circuitos’ de ácido nucleico. ROSALIND 3.0 es ahora más sensible y puede detectar ácidos nucleicos cuando antes sólo podía detectar compuestos de moléculas pequeñas».

ROSALIND en el trabajo

Las versiones anteriores de ROSALIND ya se han implementado en entornos del mundo real; por ejemplo, en un estudio de campo en curso en el área de Chicago que detecta plomo en el agua potable. Según Lucks, los nuevos elementos del modelo «3.0» del equipo se pueden aplicar fácilmente a este y otros proyectos.

«También estamos desarrollando ROSALIND para detectar marcadores de salud humana, marcadores de calidad de los alimentos y compuestos agrícolas, descubriendo para qué se puede utilizar esta tecnología de plataforma», dijo Lucks. «Este nuevo enfoque de sensibilización es general, lo que significa que podremos desarrollar más rápidamente sensores que puedan detectar compuestos en niveles procesables en el futuro».