Conjuntos de biosensores que actúan como un ordenador natural para detectar enfermedades
Los biosensores individuales detectan compuestos biológicos o químicos específicos para identificar sustancias que pueden indicar problemas sanitarios o ambientales. Sin embargo, la detección de múltiples biomarcadores mediante un conjunto de biosensores puede proporcionar información más completa para el diagnóstico de enfermedades o la vigilancia del medio ambiente. «La idea era desarrollar nuevos tipos de computación utilizando bacterias manipuladas», explica el coordinador del proyecto, Christopher Barnes, catedrático del Departamento de Biología Celular y del Desarrollo en el University College de Londres (Reino Unido). Estos denominados «ordenadores biológicos» procesan información procedente de múltiples datos de bacterias manipuladas que utilizan moléculas de señalización para comunicarse. «Mediante la biología sintética, también conocida como “ingeniería biológica”, introducimos genes alóctonos en “Escherichia coli” para que puedan percibir determinadas señales y enviarse señales entre sí», explica. Los genes se insertaron en plásmidos. «Se trata de pequeños fragmentos de ADN que diseñamos en un ordenador e introducimos en las células. Un tipo de célula actúa como biosensor: detecta algo en el entorno y produce una señal de comunicación».
Células que se iluminan cuando interactúan
Se modificaron diferentes tipos de células para que respondieran a esa señal y produjeran proteína verde fluorescente (GFP, por sus siglas en inglés). «Podíamos imaginarlas interactuando —dice Barnes—. Lo bueno de todo esto es que podemos colocar estas células modificadas en diferentes orientaciones o patrones espaciales y realizan diferentes cálculos», y añade: «Ciertas colonias se encendían y apagaban en función de su ubicación próxima y de las señales del entorno». «Si se dan determinadas combinaciones de señales de entrada, las células receptoras expresan GFP. Medimos la respuesta de GFP de estas células en la placa de Petri en el laboratorio».
Diseño de biosensores y conjuntos
El diseño de biosensores puede ser complicado. Así se vio en el proyecto DrugSense, financiado con fondos europeos, para sensores de antibióticos, y en el proyecto CUSTOM-SENSE, en el que se desarrollaron biosensores a medida. Sin embargo, el equipo del proyecto SynBioBrain, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, va mucho más allá y diseña conjuntos enteros de biosensores. Ideó un modelo matemático para diseñar patrones de colonias bacterianas que se comunican entre sí. «Los complejos procesos que intervienen en la proliferación celular y la difusión de nutrientes eran difíciles de plasmar en modelos matemáticos», señala Barnes, quien añade que el modelo de ecuaciones parciales diferenciales desarrollado para el proyecto también tiene en cuenta aspectos dinámicos, como la proliferación celular. Otro problema era conseguir que las redes de genes respondieran con una relación señal/ruido suficientemente alta. «El método que hemos creado es bastante sensible a la posición de las colonias. Así que utilizamos un robot para colocarlas», explica. Estos robots pueden ser «ruidosos», por lo que su desarrollo futuro se centraría en mejorarlos y reducir el número de bacterias de una colonia para hacer los conjuntos más pequeños y rápidos.
Uso de biosensores en el diagnóstico
El equipo utilizó la técnica computacional para desarrollar diez biosensores en el laboratorio, centrados en la salud intestinal y los biomarcadores de inflamación. «El objetivo es disponer de un conjunto de veinte biosensores capaces de diagnosticar enfermedades. Aún no hemos llegado a ese número», añade Barnes. En última instancia, pueden desarrollarse dispositivos en los que las bacterias manipuladas se asienten sobre una superficie sólida. A continuación, se le aplican muestras biológicas. «En lugar de pruebas basadas en anticuerpos, el dispositivo reconocería directamente las señales [del biosensor] de las bacterias —afirma—. Si tuviéramos muchas de estas bacterias, todas ellas capaces de detectar diferentes sustancias químicas, podríamos construir biosensores baratos. Las bacterias pueden liofilizarse en papel y utilizarse cuando se necesiten». Estos dispositivos de diagnóstico podrían utilizarse en casa o en entornos difíciles, sin necesidad de acudir al hospital.
Palabras clave
SynBioBrain, biología sintética, biosensores, biomarcadores, ordenadores biológicos, Escherichia coli, proteína verde fluorescente, DrugSense, CUSTOM-SENSE, salud intestinal, dispositivo de diagnóstico
