MADRID 4 Nov. (EUROPA PRESS) -
Un equipo dirigido por los biólogos sintéticos de la Universidad de Rice (Estados Unidos) han diseñado bacterias que detectan e informan rápidamente de la presencia de diversos contaminantes, según publican en la revista 'Nature'.
El estudio, realizado por los investigadores de Rice Caroline Ajo-Franklin y Jonathan (Joff) Silberg y los autores principales Josh Atkinson y Lin Su, ambos exalumnos, informa del desarrollo de sensores bioelectrónicos cuyas células pueden programarse para identificar a los invasores químicos e informar en cuestión de minutos liberando una corriente eléctrica detectable.
Según los investigadores, estos dispositivos "inteligentes" podrían alimentarse a sí mismos mediante la captación de energía en el medio ambiente mientras vigilan las condiciones en entornos como ríos, granjas, industrias y plantas de tratamiento de aguas residuales, y para garantizar la seguridad del agua.
La información ambiental que comunican estas bacterias autorreplicantes puede personalizarse sustituyendo una sola proteína de la cadena de transporte de electrones sintética de ocho componentes que da lugar a la señal del sensor.
"Creo que es la vía proteica más compleja para la señalización en tiempo real que se ha construido hasta la fecha --apunta Silberg, director del Programa de Doctorado en Biología Física, Sintética y de Sistemas de Rice--. Por decirlo de forma sencilla, imaginemos un cable que dirige los electrones para que fluyan desde una sustancia química celular hasta un electrodo, pero hemos roto el cable por la mitad. Cuando la molécula objetivo golpea, vuelve a conectarse y electrifica toda la vía".
"Es, literalmente, un interruptor eléctrico en miniatura --explica Ajo-Franklin--. Se introducen las sondas en el agua y se mide la corriente. Es así de sencillo. Nuestros dispositivos son diferentes porque los microbios están encapsulados. No los liberamos al medio ambiente", asegura.
La bacteria de prueba de los investigadores fue 'Escherichia coli', y su primer objetivo fue el tiosulfato, un agente de dicloración utilizado en el tratamiento del agua que puede provocar la proliferación de algas. Y había fuentes de agua convenientes para probar: La playa de Galveston y los bayous Brays y Buffalo de Houston.
Recogieron agua de cada una de ellas. Al principio, fijaron la 'E. coli' a los electrodos, pero los microbios se negaron a quedarse. "No se adhieren de forma natural a un electrodo --apunta Ajo-Franklin--. Utilizamos cepas que no forman biopelículas, así que cuando añadíamos agua, se caían". Cuando eso ocurría, los electrodos emitían más ruido que señal.
Con la ayuda del coautor Xu Zhang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin, encapsularon los sensores en agarosa en forma de piruleta que permitía la entrada de contaminantes pero mantenía los sensores en su sitio, reduciendo el ruido.
Una vez establecidas las limitaciones físicas, los laboratorios codificaron primero 'E. coli' para que expresara una vía sintética que sólo genera corriente cuando encuentra tiosulfato. Este sensor vivo fue capaz de detectar esta sustancia química a niveles inferiores a 0,25 milimoles por litro, muy por debajo de los niveles tóxicos para los peces.
En otro experimento, se recodificó 'E. coli' para que detectara un disruptor endocrino. Esto también funcionó bien, y las señales aumentaron mucho cuando las nanopartículas conductoras sintetizadas a medida por Su se encapsularon con las células en la piruleta de agarosa. Los investigadores informaron de que estos sensores encapsulados detectan este contaminante hasta 10 veces más rápido que los anteriores dispositivos de última generación.
El estudio comenzó por casualidad cuando Atkinson y Moshe Baruch, del grupo de Ajo-Franklin en el Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley, se instalaron uno al lado del otro en una conferencia de biología sintética de 2015 en Chicago, con pósteres que rápidamente se dieron cuenta de que esbozaban diferentes aspectos de la misma idea.
"Teníamos carteles vecinos por nuestros apellidos --recuerda Atkinson--. Pasamos la mayor parte de la sesión de pósteres charlando sobre los proyectos de cada uno y sobre cómo había claras sinergias en nuestros intereses en la interconexión de las células con los electrodos y los electrones como portadores de información".
"El póster de Josh tenía nuestro primer módulo: cómo tomar la información química y convertirla en información bioquímica --continúa--. Moshe tenía el tercer módulo: Cómo tomar la información bioquímica y convertirla en una señal eléctrica. El truco estaba en cómo unirlas. Las señales bioquímicas eran un poco diferentes".
En seis meses, los nuevos colaboradores obtuvieron una financiación inicial de la Oficina de Investigación Naval, seguida de una subvención, para desarrollar la idea.
"El grupo de Joff aportó la ingeniería de proteínas y la mitad de la vía de transferencia de electrones --señala Ajo-Franklin--. Mi grupo aportó la otra mitad de la vía de transporte de electrones y algunos de los esfuerzos en materia de materiales". La colaboración finalmente llevó a la propia Ajo-Franklin a Rice en 2019 como becaria del CPRIT.
"Tanto Josh como yo pasamos varios años de nuestros doctorados trabajando en esto, con la presión de graduarnos y pasar a la siguiente etapa de nuestras carreras --comenta Su, estudiante de posgrado visitante en el laboratorio de Ajo-Franklin tras graduarse en la Universidad del Sureste de China--. Tuve que ampliar mi visado varias veces para quedarme y terminar la investigación".
Silberg añade que la complejidad del diseño va mucho más allá de la vía de señalización. "La cadena tiene ocho componentes que controlan el flujo de electrones, pero hay otros componentes que construyen los cables que van a las moléculas --subraya--. Hay una docena y media de componentes con casi 30 cofactores metálicos u orgánicos. Esto es enorme comparado con algo como nuestras cadenas respiratorias mitocondriales".
Silberg afirma que ve a los microbios artificiales realizando muchas tareas en el futuro, desde el control del microbioma intestinal hasta la detección de contaminantes como los virus, mejorando la exitosa estrategia de analizar las plantas de aguas residuales para detectar el SARS-CoV-19 durante la pandemia.
"El control en tiempo real se vuelve muy importante con esos pulsos transitorios --dice--. Y como cultivamos estos sensores, son potencialmente muy baratos de fabricar".
Para ello, el equipo está colaborando con Rafael Verduzco, profesor de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de los materiales y nanoingeniería de Rice, que lidera una reciente subvención de 2 millones de dólares de la Fundación Nacional de la Ciencia con Ajo-Franklin, Silberg, la biocientífica Kirstin Matthews y la ingeniera civil y medioambiental Lauren Stadler para desarrollar la monitorización de aguas residuales en tiempo real.
"El tipo de materiales que podemos fabricar con Raphael lleva esto a un nivel completamente nuevo", destaca Ajo-Franklin. Silberg añade que los laboratorios de Rice están trabajando en reglas de diseño para desarrollar una biblioteca de sensores modulares.
