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BIOINGENIERÍA

Pequeñas máquinas del futuro

Proyectos de investigación concebidos en universidades brasileñas fueron premiados en un certamen internacional de dispositivos genéticamente modificados

Científicos de universidades de diversos países en Boston, Estados Unidos, durante el iGEM 2014, una Competencia  Internacional de Máquinas Genéticamente Diseñadas. Participaron tres equipos brasileños

iGEM 2014 Científicos de universidades de diversos países en Boston, Estados Unidos, durante el iGEM 2014, una Competencia Internacional de Máquinas Genéticamente Diseñadas. Participaron tres equipos brasileñosiGEM 2014

Tres proyectos de investigación desarrollados por alumnos y docentes de cinco universidades brasileñas fueron premiados en la International Genetically Engineered Machine Competition (iGEM), un evento que se originó en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). El iGEM 2014 (la sigla en inglés de Competición Internacional de Máquinas Genéticamente Diseñadas) se llevó a cabo al final del año pasado en Boston, Estados Unidos y contó con la participación de 245 equipos integrados por más de 2.300 estudiantes de instituciones de educación superior de todo el mundo, entre ellas, las afamadas universidades Harvard, Yale y Stanford, además del MIT, de Estados Unidos, Oxford y Cambridge, de Inglaterra. El certamen, que se instituyó en 2004, tiene como misión incentivar el avance de las investigaciones en el campo de la biología sintética, un área que se basa en el desarrollo de dispositivos biológicos, tales como sensores, aparatos y software, enfocados en la solución de problemas en las áreas de ambiente, salud, energía y alimentos.

Los brasileños cobraron relieve al presentar proyectos con dos biosensores en el área de la salud, uno de ellos para el diagnóstico del cáncer de mama y el otro para la detección de un marcador específico de la enfermedad renal crónica. Ambos utilizan muestras de sangre y anticipan diagnósticos más precoces que los de los exámenes actuales. El tercer proyecto presentó bacterias modificadas genéticamente y programadas para la detección y absorción de compuestos de mercurio que contaminan los ríos de la Amazonia. “Es muy bueno que trabajos desarrollados en Brasil obtengan reconocimiento en una competencia internacional del nivel del iGEM. El galardón es muy importante para estimular a otras generaciones de jóvenes científicos, y revela que el trabajo en grupo es fundamental para arribar a resultados exitosos”, afirma el médico José Luiz de Lima Filho, director científico del Laboratorio de Inmunopatología Keizo Asami (Lika) de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE). Asami es uno de los integrantes del equipo responsable de la creación del dispositivo capaz de diagnosticar el cáncer de mama en su fase inicial. “Nuestro biosensor detecta moléculas de microARN que producen las células cancerígenas antes de que comience el proceso tumoral. Ésa es la principal ventaja sobre la técnica tradicional más empleada actualmente, la mamografía, que sólo identifica la enfermedad cuando ya existe una formación tumoral a partir de un tamaño de 0,5 milímetros”, dice Lima Filho. “Cuanto más pronto se identifica el cáncer, mayores son las probabilidades de cura”. El ácido ribonucleico (ARN) es un polímero de nucleótidos responsable de la síntesis de proteínas de las células. Los microARNs son pequeños ARNs integrados por alrededor de 20 nucleótidos que se encuentran en las plantas y en los animales.

El nuevo dispositivo, galardonado con la medalla de plata en su categoría en el iGEM, es parte de la tesis doctoral de la estudiante Deborah Zanforlin, doctoranda del programa de Biología Aplicada y Salud de la UFPE, y contó con la participación de investigadores del Centro de Estudios y Sistemas Avanzados de Recife (Cesar). Los científicos desarrollaron un robot que prepara las muestras de sangre que se extraen a los pacientes, las cuales son a continuación analizadas por el biosensor. El sistema también posee un dispositivo de control de calidad que evalúa si el material extraído se encuentra en condiciones para que el biosensor lo analice con precisión (observe la infografía).

064-067_Engenharia sintetica_228-01Los investigadores pernambucanos ya probaron el concepto del sistema y realizaron pruebas en muestras de pacientes con cáncer en el laboratorio. El próximo paso será la construcción de los primeros prototipos para la ejecución de ensayos clínicos en campo. “Cuando llegue al mercado, nuestro biosensor no requerirá personal especializado para el procesamiento de las muestras, contrariamente a los test moleculares para el diagnóstico del cáncer que hoy existen. Al ser fácil de transportar no exigirá que el paciente se traslade hasta un centro de salud para realizar el examen, que podrá realizarse en el propio consultorio del médico. Será importante para la prevención, ayuda al diagnóstico y tratamiento del cáncer de mama, colaborando a reducir el número de casos en Brasil”, subraya Lima Filho.

El proyecto brasileño para el diagnóstico de la enfermedad renal crónica (ERC) a partir de un biomarcador ganó la medalla de bronce en el iGEM. El mismo fue desarrollado por alumnos y docentes de la Universidad de São Paulo (USP), Universidade Estadual Paulista (Unesp) y Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Los biomarcadores son estructuras bioquímicas presentes en el organismo humano que, cuando sufren alteraciones en sus niveles, pueden indicar anomalías fisiológicas y patologías.

La creatinina es el biomarcador que se utiliza actualmente. Pero hay inconvenientes, los niveles varían en función de factores tales como la nutrición, edad y masa muscular. Además, el diagnóstico funciona solamente cuando la enfermedad cursa una etapa avanzada. La ventaja de la cistatina C, el biomarcador que utilizamos en nuestro proyecto, radica en que sus niveles no se alteran en función de la nutrición, edad o masa muscular y también puede detectar la enfermedad en fases más tempranas”, como explica el profesor Francis de Morais Franco Nunes, del Departamento de Genética y Evolución de la UFSCar.

Nunes destaca que el primer paso consistió en proyectar el diseño de un circuito génico (un segmento formado por genes seleccionados) que, al menos en teoría, fuera capaz de funcionar en un microorganismo, ejecutando determinada tarea. El microorganismo elegido fue la bacteria Bacillus subtilis. La idea consiste en colocar el suero sanguíneo del individuo en contacto con la bacteria, que comenzaría a detectar los niveles de la proteína cistatina C en la muestra y distinguiría entre los niveles normales de una persona sana y los anómalos de un paciente con enfermedad renal crónica.

El plan del grupo de investigadores de las universidades paulistas prevé, una vez finalizado, que el dispositivo será de aproximadamente 5 centímetros cuadrados y dispondrá de todos los reactivos necesarios en los compartimientos existentes en su interior. Uno de ellos estará programado para albergar las esporas de la bacteria y otro contendrá el circuito génico para inducir la activación de las esporas y el crecimiento de las bacterias modificadas. Al final del proceso, un tercer compartimiento se encargará de realizar la esterilización del dispositivo para mantener la bioseguridad local.

064-067_Engenharia sintetica_228-02El desarrollo del biodetector bacteriano aún se encuentra en proceso, con alrededor del 60% del circuito génico terminado, pero el equipo ya obtuvo una prueba de concepto experimental de que la bacteria logra detectar la presencia de cistatina C en sangre y calcular el nivel de esa proteína. “Estimamos que el proyecto aún requiere de cuatro años más para llevarlo a término. Aspiramos a que sea una tecnología accesible para toda la población”, dice Matheus Pedrino Gonçalves, alumno del curso de biotecnología de la UFSCar y uno de los miembros del grupo.

El tercer proyecto de investigación brasileño premiado en el iGEM surgió de los laboratorios de la Universidad Federal de Amazonas (Ufam). El grupo, que fue distinguido con la medalla de oro en su categoría, creó un linaje de bacterias genéticamente modificadas capaces de detectar, absorber y desintegrar compuestos de mercurio presentes en el agua. La idea consiste en utilizar los microorganismos que, de acuerdo con los investigadores, pueden clasificarse como máquinas modificadas genéticamente para liberar a las aguas de la Amazonia de ese metal pesado, altamente perjudicial para la salud. La contaminación de los ríos de la región con mercurio se produce fundamentalmente a causa de su empleo en las actividades de extracción del oro. Una vez utilizado, se descarta en forma irregular en el medio ambiente.

“Hemos introducido circuitos génicos en bacterias de laboratorio [Escherichia coli] y constatamos en pruebas de laboratorio que, en un medio de cultivo que contiene mercurio, éstas pueden degradar hasta un 70% del metal pesado”, dice Carlos Gustavo Nunes da Silva, docente de Ingeniería Genética de la Ufam y coordinador del proyecto en el que trabajaron 15 estudiantes. Los microorganismos fueron modificados de tres maneras distintas y complementarias. A una bacteria se la transformó, empleando ingeniería genética, en un biosensor capaz de detectar la presencia del metal en el medio, que se torna de una coloración verde fosforescente cuando detecta la sustancia. Otra fue alterada para absorber el mercurio del agua, encargándose de la biosolución propiamente dicha. Y a una tercera se la programó para convertir el mercurio presente en el medio en mercurio gaseoso (HgO). El equipo contempla la creación, con la colaboración de científicos de las áreas de ingeniería y diseño, de un sistema que almacenará el mercurio volátil para reutilizarlo posteriormente en la fabricación de lámparas y dispositivos electrónicos, por ejemplo,  e incluso para el reciclado del metal en electrodomésticos.

“Para el desarrollo del proyecto, nos inspiramos en un conjunto de genes presentes en algunas bacterias que metabolizan mercurio, a los que se denomina operon mer. Estudiamos cómo actúan éstos en conjunto para degradar el mercurio y seleccionamos los más atrayentes para realizar nuestras construcciones genéticas en la bacteria”, explica Laís Almeida Gomes, una de las estudiantes involucradas en el proyecto. Según Almeida Gomes, que es magíster en Genética, Conservación y Biología Evolutiva por el Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonia (Inpa), el proyecto se encuentra en una fase avanzada, pero aún necesita ajustes.

Pese a que todos los sistemas demostraron que las bacterias responden en forma positiva a la presencia del mercurio, los investigadores notaron que para aumentar la escala será necesario perfeccionar la tecnología. Otro desafío es la construcción de biorreactores para la estación de tratamiento, una etapa que estará concluida en septiembre de este año. Ninguna de las bacterias modificadas es nociva para el ser humano.

“La ventaja principal de nuestro trabajo consiste en la posibilidad de extracción del mercurio, no sólo el de los ríos, sino también el que se encuentra en otros ambientes, pues muchas empresas de la zona utilizan esa sustancia en sus procesos y la descartan en forma inadecuada”, dice Almeida Gomes. Ése es uno de los grandes beneficios para la sociedad amazónica, que depende de los ríos para la obtención de su principal fuente de alimentación, que es el pescado. “La medalla nos motiva a continuar trabajando y mejorando siempre, y eso es bueno para que mucha más gente tenga en cuenta el desarrollo de la ciencia en la región”.

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