Cuando piensas en campos eléctricos, probablemente piensas en electricidad – lo que hace posible la vida moderna al alimentar todo, desde electrodomésticos hasta teléfonos móviles. Los investigadores han estado estudiando los principios de la electricidad. desde el siglo XVII. Benjamín Franklinfamoso por su experimento con cometas, demostró que los rayos eran efectivamente eléctricos.
La electricidad también ha permitido importantes avances en biología. Una técnica llamada electroforesis permite a los científicos analizar las moléculas de la vida. ADN y proteínas, separándolas por su carga eléctrica. La electroforesis no solo se enseña comúnmente en biología en la escuela secundaria, sino que también es un caballo de batalla en muchos laboratorios clínicos y de investigación. incluyendo el mío.
soy un profesor de ingeniería biomédica que trabaja con sistemas electroforéticos miniaturizados. Juntos, mis alumnos y yo desarrollamos versiones portátiles de estos dispositivos que detectan rápidamente patógenos y ayudan a los investigadores a luchar contra ellos.
¿Qué es la electroforesis?
Los investigadores descubrieron la electroforesis en el siglo 19 aplicando voltaje eléctrico a partículas de arcilla y observando cómo migraban a través de una capa de arena. Después de nuevos avances durante el siglo XX, la electroforesis se convirtió en estándar en los laboratorios.
Para entender cómo funciona la electroforesis, primero debemos explicar campos electricos. Se trata de fuerzas invisibles que las partículas cargadas eléctricamente, como los protones y los electrones, ejercen entre sí. Por ejemplo, una partícula con carga eléctrica positiva sería atraída hacia una partícula con carga negativa. Aquí se aplica la ley de «los opuestos se atraen». Las moléculas también pueden tener carga; si es más positivo o negativo depende de los tipos de átomos que lo componen.
En la electroforesis, se genera un campo eléctrico entre dos electrodos conectados a una fuente de alimentación. Un electrodo tiene carga positiva y el otro tiene carga negativa. Se colocan en lados opuestos de un recipiente lleno de agua y un poco de sal, que puede conducir la electricidad.
Cuando moléculas cargadas como el ADN y proteínas están presentes en el agua, los electrodos crean un campo de fuerza entre ellos que empuja las partículas cargadas hacia el electrodo con carga opuesta. Este proceso se llama migración electroforética.
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A los investigadores les gusta la electroforesis porque es rápida y flexible. La electroforesis puede ayudar a analizar distintos tipos de partículas, desde moléculas hasta microbios. Además, la electroforesis se puede realizar con materiales como papel, geles y tubos finos.
En 1972, el físico Stanislav Dukhin y sus colegas observaron otro tipo de migración electroforética llamada electroforesis no lineal que podría separar partículas no sólo por su carga eléctrica sino también por su tamaño y forma.
Campos eléctricos y patógenos.
Otros avances en la electroforesis la han convertido en una herramienta útil para combatir los patógenos. En particular, el revolución de los microfluidos hizo posible la pequeños laboratorios que permiten a los investigadores detectar rápidamente patógenos.
En 1999, los investigadores descubrieron que estos pequeños sistemas de electroforesis también podrían separar patógenos intactos por diferencias en su carga eléctrica. Colocaron una mezcla de varios tipos de bacterias en un capilar de vidrio muy delgado que luego fue expuesto a un campo eléctrico. Alguno bacterias Salieron del dispositivo más rápido que otros debido a sus distintas cargas eléctricas, lo que permitió separar los microbios por tipo. Medir sus velocidades de migración permitió a los científicos identificar cada especie de bacteria presente en la muestra mediante un proceso que tomó menos de 20 minutos.
Los microfluidos mejoraron aún más este proceso. Los dispositivos de microfluidos son lo suficientemente pequeños como para caber en la palma de la mano. Su tamaño miniatura les permite realizar análisis mucho más rápido que los equipos de laboratorio convencionales porque las partículas no necesitan viajar tan lejos a través del dispositivo a analizar. Esto significa que las moléculas o patógenos que buscan los investigadores se detectan más fácilmente y es menos probable que se pierdan durante el análisis.
Por ejemplo, las muestras analizadas utilizando sistemas de electroforesis convencionales tendrían que viajar a través de tubos capilares de aproximadamente 11 a 31 pulgadas (30 a 80 centímetros) de largo. Estos pueden tardar entre 40 y 50 minutos en procesarse y no son portátiles. En comparación, las muestras analizadas con pequeños sistemas de electroforesis migran a través de microcanales que miden sólo de 0,4 a 2 pulgadas (1 a 5 centímetros) de largo. Esto se traduce en dispositivos pequeños y portátiles con tiempos de análisis de aproximadamente dos o tres minutos.
La electroforesis no lineal ha permitido dispositivos más potentes al permitir a los investigadores separar y detectar patógenos por su tamaño y forma. Mis colegas de laboratorio y yo demostramos que combinar electroforesis no lineal con microfluidos no solo puede separar distintos tipos de células bacterianas pero también células bacterianas vivas y muertas.
Pequeños sistemas de electroforesis en medicina
La electroforesis microfluídica tiene el potencial de ser útil en todas las industrias. Principalmente, estos pequeños sistemas pueden reemplazar los métodos de análisis convencionales con Resultados más rápidos, mayor comodidad y menor costo..
Por ejemplo, cuando probar la eficacia de los antibióticosestos pequeños dispositivos podrían ayudar a los investigadores a determinar rápidamente si los patógenos están muertos después del tratamiento. También podría ayudar a los médicos a decidir qué fármaco es el más apropiado para un paciente al distinguir rápidamente entre bacterias normales y bacterias resistentes a los antibióticos.
Mi laboratorio también está trabajando en el desarrollo de sistemas de microelectroforesis para purificar virus bacteriófagos que se puede utilizar para tratar infecciones bacterianas.
Con un mayor desarrollo, el poder de los campos eléctricos y los microfluidos puede acelerar la forma en que los investigadores detectan y combaten los patógenos.
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