Un instrumento eléctrico desenchufado puede funcionar, pero suena mucho mejor cuando está conectado a un amplificador. Del mismo modo, las toxinas y otras moléculas pequeñas en concentraciones bajas en el medio ambiente o el cuerpo humano pueden emitir señales silenciosas que son indetectables sin «amplificación» mediante tecnología de laboratorio especializada. Gracias a un «truco genial de bioquímica» utilizado para adaptar una plataforma de detección que ya utilizan científicos de la Unviersidad Northwestern para medir toxinas en el agua potable, es posible detectar e incluso medir sustancias químicas en concentraciones lo bastante bajas como para que tengan utilidad fuera del laboratorio. Al acoplar circuitos similares a un botón de volumen para «subir» las señales débiles, el equipo abrió la puerta a la aplicación del sistema a la detección de enfermedades y a la detección en el cuerpo humano de ácidos nucleicos como el ADN y el ARN, así como de bacterias como E. coli. Los resultados, publicados en Nature Chemical Biology, describen un sistema 10 veces más sensible que los anteriores sensores sin células construidos por el equipo de investigación. «Los biosensores reconvertidos a partir de la naturaleza pueden, en principio, detectar todo un espectro de contaminantes y marcadores de salud humana, aunque a menudo no son lo bastante sensibles», explica Julius Lucks, autor del artículo y biólogo de Northwestern. «Añadiendo circuitos genéticos que actúan como un amplificador, podemos hacer que esta plataforma de biodetección alcance los niveles de sensibilidad necesarios para su aplicación en la monitorización en los ámbitos del medio ambiente y la salud humana». Lucks es catedrático de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética. ROSALIND 3.0 (y sus antecesores) El modelo original de la plataforma de detección, llamada ROSALIND (abreviatura de «sensores de salida de ARN activados por inducción de ligando»), podía detectar 17 contaminantes distintos en una sola gota de agua, iluminándose en verde cuando un contaminante superaba los límites establecidos por la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos. Lucks y su equipo lo crearon utilizando un método llamado biología sintética sin células, en el que la maquinaria molecular -como el ADN, el ARN y las proteínas- se extrae de las células y se reprograma para realizar nuevas tareas. Un segundo modelo de ROSALIND permitió a la plataforma calcular distintas concentraciones de contaminantes. Lucks recurre a la historia de la radio de transistores para explicar los avances de la plataforma de detección, ahora en su tercera iteración. «Podías construir la primera radio de transistores en tu clase de Electrónica 101, y recibir una señal de radio, pero tenía todo tipo de problemas», explica Lucks. «Si caminas detrás de un árbol, perderás la señal, y si caminas más cerca de la fuente, se hará más ruidosa». En futuras generaciones de esa radio, se añadieron circuitos electrónicos adicionales para controlar y corregir esas cosas. Esta iteración es básicamente añadir un botón de volumen a la radio». Un útil fallo en el sistema Los biólogos sintéticos que trabajan con ADN y ARN se topan a menudo con una némesis poco útil, la enzima ARN polimerasa T7. Esta enzima puede destruir fragmentos de ARN que no debería y causar estragos en los circuitos de ácido nucleico. Pero los investigadores la han utilizado en su beneficio, y Lucks la compara con la batería de radio por su papel en el bombeo de señales de salida. Con un truco de amplificación de señales de la nanotecnología del ADN que permite a un circuito reciclar y reproducir su entrada, los investigadores encontraron un método para potenciar la señal de una molécula de entrada. Cuando se genera una señal, la encima la destruye y la recicla, generando otra señal. El resultado permitió al equipo detectar moléculas -como antibióticos y metales pesados- a una fracción de la concentración de las versiones anteriores. «Hemos creado un nuevo sistema para amplificar las señales en ROSALIND», explica Jenni Li, primera autora y candidata al doctorado en el laboratorio de Lucks. «Gracias a un truco genial de la bioquímica, esto nos permite sensibilizar el sistema para detectar compuestos a 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 funcionamiento Los investigadores ya han desplegado versiones anteriores de ROSALIND en entornos reales, por ejemplo, en un estudio de campo en curso en la zona de Chicago para detectar plomo en el agua potable. Según Lucks, los nuevos elementos del modelo «3.0» del equipo pueden aplicarse fácilmente a este y otros proyectos. «También estamos desarrollando ROSALIND para detectar marcadores de salud humana, marcadores de calidad alimentaria y compuestos agrícolas, lo que abre las posibilidades de uso de esta tecnología de plataforma», afirma Lucks. «Este nuevo enfoque de sensibilización es general, lo que significa que en el futuro podremos desarrollar más rápidamente sensores capaces de detectar compuestos a niveles prácticos». Lee el contenido original en Smart Water Magazine.
Un instrumento eléctrico desenchufado puede funcionar, pero suena mucho mejor cuando está conectado a un amplificador. Del mismo modo, las toxinas y otras moléculas pequeñas en concentraciones bajas en el medio ambiente o el cuerpo humano pueden emitir señales silenciosas que son indetectables sin «amplificación» mediante tecnología de laboratorio especializada.
Gracias a un «truco genial de bioquímica» utilizado para adaptar una plataforma de detección que ya utilizan científicos de la Unviersidad Northwestern para medir toxinas en el agua potable, es posible detectar e incluso medir sustancias químicas en concentraciones lo bastante bajas como para que tengan utilidad fuera del laboratorio. Al acoplar circuitos similares a un botón de volumen para «subir» las señales débiles, el equipo abrió la puerta a la aplicación del sistema a la detección de enfermedades y a la detección en el cuerpo humano de ácidos nucleicos como el ADN y el ARN, así como de bacterias como E. coli.
Los resultados, publicados en Nature Chemical Biology, describen un sistema 10 veces más sensible que los anteriores sensores sin células construidos por el equipo de investigación.
«Los biosensores reconvertidos a partir de la naturaleza pueden, en principio, detectar todo un espectro de contaminantes y marcadores de salud humana, aunque a menudo no son lo bastante sensibles», explica Julius Lucks, autor del artículo y biólogo de Northwestern. «Añadiendo circuitos genéticos que actúan como un amplificador, podemos hacer que esta plataforma de biodetección alcance los niveles de sensibilidad necesarios para su aplicación en la monitorización en los ámbitos del medio ambiente y la salud humana».
Lucks es catedrático de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y codirector del Centro de Biología Sintética.
ROSALIND 3.0 (y sus antecesores)
El modelo original de la plataforma de detección, llamada ROSALIND (abreviatura de «sensores de salida de ARN activados por inducción de ligando»), podía detectar 17 contaminantes distintos en una sola gota de agua, iluminándose en verde cuando un contaminante superaba los límites establecidos por la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos. Lucks y su equipo lo crearon utilizando un método llamado biología sintética sin células, en el que la maquinaria molecular -como el ADN, el ARN y las proteínas- se extrae de las células y se reprograma para realizar nuevas tareas.
Un segundo modelo de ROSALIND permitió a la plataforma calcular distintas concentraciones de contaminantes. Lucks recurre a la historia de la radio de transistores para explicar los avances de la plataforma de detección, ahora en su tercera iteración.
«Podías construir la primera radio de transistores en tu clase de Electrónica 101, y recibir una señal de radio, pero tenía todo tipo de problemas», explica Lucks. «Si caminas detrás de un árbol, perderás la señal, y si caminas más cerca de la fuente, se hará más ruidosa». En futuras generaciones de esa radio, se añadieron circuitos electrónicos adicionales para controlar y corregir esas cosas. Esta iteración es básicamente añadir un botón de volumen a la radio».
Un útil fallo en el sistema
Los biólogos sintéticos que trabajan con ADN y ARN se topan a menudo con una némesis poco útil, la enzima ARN polimerasa T7. Esta enzima puede destruir fragmentos de ARN que no debería y causar estragos en los circuitos de ácido nucleico. Pero los investigadores la han utilizado en su beneficio, y Lucks la compara con la batería de radio por su papel en el bombeo de señales de salida.
Con un truco de amplificación de señales de la nanotecnología del ADN que permite a un circuito reciclar y reproducir su entrada, los investigadores encontraron un método para potenciar la señal de una molécula de entrada. Cuando se genera una señal, la encima la destruye y la recicla, generando otra señal. El resultado permitió al equipo detectar moléculas -como antibióticos y metales pesados- a una fracción de la concentración de las versiones anteriores.
«Hemos creado un nuevo sistema para amplificar las señales en ROSALIND», explica Jenni Li, primera autora y candidata al doctorado en el laboratorio de Lucks. «Gracias a un truco genial de la bioquímica, esto nos permite sensibilizar el sistema para detectar compuestos a 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 funcionamiento
Los investigadores ya han desplegado versiones anteriores de ROSALIND en entornos reales, por ejemplo, en un estudio de campo en curso en la zona de Chicago para detectar plomo en el agua potable. Según Lucks, los nuevos elementos del modelo «3.0» del equipo pueden aplicarse fácilmente a este y otros proyectos.
«También estamos desarrollando ROSALIND para detectar marcadores de salud humana, marcadores de calidad alimentaria y compuestos agrícolas, lo que abre las posibilidades de uso de esta tecnología de plataforma», afirma Lucks. «Este nuevo enfoque de sensibilización es general, lo que significa que en el futuro podremos desarrollar más rápidamente sensores capaces de detectar compuestos a niveles prácticos».
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