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Tecnología

Mimetismo en el laboratorio

Sustancias sintéticas utilizadas en biosensores imitan el comportamiento de compuestos biológicos

A la menor señal de aproximación del enemigo, las mariposas, los camaleones y muchas otras especies de animales cambian de colores o de forma para disimularse en el ambiente que los rodea y así despistar a sus predadores. Esta capacidad de imitación, conocida como mimetismo, inspiró a investigadores de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) en la creación de compuestos sintéticos que reproducen con ventajas la actividad de anticuerpos, enzimas, células, receptores y otros componentes biológicos fundamentales para el funcionamiento de los biosensores, como por ejemplo el que mide el nivel de glucosa en las personas diabéticas, el glucosímetro portátil que se vende en las farmacias. Bajo la denominación de sistemas biomiméticos, estos compuestos sintéticos tienen por objeto reconocer iones o moléculas de las sustancias analizadas por los biosensores, ampliando y facilitando la difusión de ese tipo de análisis químico.

“Otro objetivo de ellos es dotar de estabilidad (mantenimiento de la actividad) durante largos períodos a esos dispositivos, evitando así uno de los puntos críticos que impide la comercialización de tales productos en una amplia gama de aplicaciones”, resalta el profesor Lauro Tatsuo Kubota, del Instituto de Química (IQ) de la Unicamp, que encabeza la investigación con biosensores en el marco de un proyecto temático coordinado por el profesor Elias Ayres Guidetti Zagatto, del Centro de Energía Nuclear en Agricultura (Cena) de la Universidad de São Paulo (USP), con sede en la localidad de Piracicaba.

La intención de los investigadores es crear dispositivos que emiten respuestas químicas traducidas por componentes físicos que integran el conjunto del biosensor, tales como electrodos, fibras ópticas y polímeros conductores. La elección de las enzimas, los anticuerpos o las células es determinada de acuerdo con la sustancia para la cual el dispositivo ha sido programado para su identificación en aguas, bebidas o alimentos, o en análisis de sangre u orina. Como muchos de estos componentes biológicos no son estables durante mucho tiempo, Kubota decidió reemplazarlos por una sustancia sintética estable a base de cobre y hierro, dispuesta en forma de monocapas sobre la superficie delbiosensor. La elección de los dos elementos obedece a que la parte activa de las enzimas que serán reemplazadas está constituida por estos metales.

Ampliación de la estabilidad
Este nuevo material ha mostrado ser eficiente con relación a la sensibilidad y a la selectividad, y ha preservado durante más de un año la estabilidad del biosensor, una diferencia que le abre las puertas del mercado. Hasta ahora los investigadores de la Unicamp han desarrollado diferentes compuestos sintéticos de interés ambiental, farmacéutico y medicinal, que han resultado en tres pedidos de patentes. Y las perspectivas indican que los nuevos biosensores costarán mucho menos que los que se usan actualmente.

Los resultados obtenidos por los investigadores de la Unicamp y del Cena, presentados en el marco de un congreso internacional realizado en Dusseldorf, Alemania, en 2002, llamaron la atención de investigadores de Europa y Estados Unidos, que formularon propuestas para trabajar en colaboración. Y Kubota no descarta asociaciones en otras líneas de investigación; pero dice que en el caso de los biomiméticos, su equipo se encuentra muy avanzado. Algunas empresas también han consultado a los investigadores; con todo, ninguna sociedad comercial se ha concretado hasta ahora, pues se necesita invertir un poco más para obtener el dispositivo en el formato final requerido para su comercialización.

Además de la investigación referente a los compuestos sintéticos, el equipo de la Unicamp también trabaja en otro frente: el estudio de nuevos materiales para estabilizar componentes biológicos, que se ha mostrado bastante prometedor. Prueba de ello es que ya ha desarrollado un biosensor para el análisis del nivel de alcohol en sangre a base de grafito, sílice modificada con niobio y azul de metileno como colorante que tiene un 99% de precisión y se mantiene estable durante tres meses por lo menos. Es un plazo muy superior al alcanzado por trabajos descritos en la literatura, que llegaron a lo sumo a una semana. Con relación a los detectores de alcohol existentes en el mercado, no son totalmente precisos y solamente logran detectar el alcohol en concentraciones elevadas.

Comparado con los métodos tradicionales, con los cuales es necesario adicionar reactivos a la muestra para producir un color o fluorescencia que permita la lectura, el análisis con un biosensor es sencillo, rápido y económico. Basta colocar una muestra en el dispositivo y hacer la medición, que consiste en convertir la reacción química en energía mensurable, como la de la corriente eléctrica. Esta corriente puede incluso ser traducida por un procesador, y el resultado aparece en un visor que muestra la concentración de la sustancia buscada. Con este sistema, las cantidades de anticuerpos o enzimas utilizadas son mínimas, lo que representa una reducción de costos, residuos contaminantes y tiempo de análisis. Kubota explica que todo el proceso se lleva a cabo en forma muy selectiva. “Entre varias sustancias presentes en la muestra, solamente se detecta aquélla que se desea.”

Control fitoterapéutico
Además del glucosímetro existen otros biosensores disponibles en el mercado, que analizan la urea (el funcionamiento de los riñones) y el lactato (para evaluar la reaccíon de los músculos luego de hacer ejercicios físicos). “Trabajamos con la idea de juntar varios dispositivos en una sola pieza para determinar los niveles de lactato, creatinina, glucosa y muchos otros parámetros”, dice el investigador. Una sola gota de sangre será suficiente como para hacer un chequeo en un minilaboratorio portátil.

Las aplicaciones estudiadas se extienden a una amplia gama que incluye el análisis de medicamentos durante su proceso de fabricación, el estudio de las propiedades antioxidantes de fitoterapéuticos y el monitoreo del nivel de estrés con base en el análisis de la actividad de la enzima glutationa peroxidasa, que actúa en el sistema de defensa del organismo en el combate contra los radicales libres.Con relación al sistema que analiza medicamentos en forma de cápsulas y comprimidos, las investigaciones se encuentran avanzadas y redundarán en una solicitud de patente. Normalmente este tipo de análisis se efectúa por muestreo en medio líquido con la adición de varios reactivos, lo que genera una cantidad razonable de residuos. Eso sin contar que los resultados no son conocidos inmediatamente. “En la forma que estamos planteándolo es posible analizar muestras en tiempo real, directamente en el sistema de producción, sin generar residuos”, dice Kubota. De esta manera, en lugar de efectuar el control por muestreo, éste abarcaría a toda la producción. En caso de detectarse algún problema en el lote fabricado, se descartarían solamente algunos comprimidos y no todo el lote.

Otro biosensor desarrollado en el IQ de la Unicamp con gran potencial de aplicación inmediata es un dispositivo que analiza el principio activo de extractos de plantas a partir del té. Kubota subraya que aunque el control de calidad de este tipo de medicamento ha mejorado mucho en Brasil, es importante hacer un análisis más preciso para evaluar si las propiedades pregonadas permanecen efectivamente en el producto comercial, pues la preservación de los principios activos de las plantas depende de varios factores, tales como el clima, el suelo, la época del cultivo y la cosecha.El investigador empezó a trabajar en el área de sensores y biosensores desde que fue contratado en la Unicamp en 1994. Desde aquel año ha venido trabajando en diversas investigaciones financiadas por la FAPESP, una de las cuales comprendió un Proyecto Temático intitulado Estudio y Desarrollo de Nuevos Sistemas de Detección para Aplicaciones Analíticas, concluido en 2001. La idea de participar en otro proyecto temático, en este caso con colaboradores de diferentes áreas, tuvo por objeto el intercambio de conocimiento para intentar arribar a un consenso acerca de cuál es el mejor sistema de análisis para determinar y cuantificar diversas muestras biológicas y ambientales.

La contribución brasileña
Mientras Kubota trabaja con biosensores, otro investigador del IQ de la Unicamp, el profesor Marco Aurélio Zezzi Arruda, que también participa en el mismo proyecto temático, se aboca al estudio de materiales naturales y sintéticos que pueden elevar la sensibilidad de los métodos de análisis con una menor generación de residuos. Entre estos materiales naturales figuran la cáscara de arroz, la esponja vegetal y el vermicompuesto, elaborado por algunos tipos de lombrices tras la digestión de materiales tales como arena, suelo y materia orgánica. Estos materiales presentaron resultados prometedores en la detección de pequeñas concentraciones de metales tales como cobre, zinc, plomo y cadmio, con bajos costos operativos.Los materiales naturales se colocan en pequeñas cantidades (entre 20 y 25 miligramos) en minúsculas columnas (tubos) de polietileno. Dichos tubos se insertan en los sistemas de análisis por inyección en flujo o flow-injection analysis (FIA), y todo el conjunto es acoplado a la técnica de espectrometría de absorción atómica, que se basa en la absorción de la radiación proveniente de lámparas específicas para cada elemento que será determinado.

La absorción es proporcional a la concentración del metal presente en la muestra. De esta forma se pueden cuantificar metales presentes en alimentos, bebidas, materiales inorgánicos, biológicos, aguas y efluentes (residuos domiciliarios o procedentes de la producción industrial). Arruda explica que los materiales naturales lograron preconcentrar metales en pequeñas cantidades, aumentando así la sensibilidad del método analítico. La próxima etapa de su investigación contempla el uso de estos materiales en biosensores, para evaluar si efectivamente mejoran la eficiencia de los métodos electroquímicos.Los materiales naturales para análisis químicos, al margen de los compuestos sintéticos desarrollados por Kubota, están siendo evaluados también por el profesor Zagatto, que trabaja en el perfeccionamiento de los sistemas de análisis por inyección en flujo aplicados en forma pionera en los laboratorios de Química Analítica del Cena durante los años 1970 por el profesor Henrique BergaminFilho (1932-1996), y utilizados actualmente en laboratorios de todo el mundo. Zagatto, que formaba parte del equipo encabezado por Bergamin, comenta que esta contribución permitió la automación del proceso de análisis y la miniaturización de dichos sistemas.

Esta tecnología consiste en inyectar la muestra en tubos capilares que corren como agua dentro de tuberías cerradas. Durante el transporte la misma se dispersa y puede también sufrir diluciones, lo que permite la ejecución de las diferentes etapas asociadas al método analítico, tales como la adición de reactivos, la separación y la concentración. Todo funciona como si el sistema analítico fuera un laboratorio hermético, es decir, libre de contaminación. La muestra procesada pasa por un medidor que monitorea el producto de las reacciones químicas comprendidas. El resultado del análisis se obtiene en pocos segundos, el tiempo necesario como para que la muestra recorra los capilares, y el ritmo del muestreo es alto, en general superior a las cien muestras por hora.

Zagatto resalta que la explotación de esta tecnología le ha abierto las puertas de un nuevo campo de conocimiento a la química analítica, como lo es el monitoreo de especies químicas inestables, es decir, productos que se descomponen en poco tiempo. Antes, los principales reactivos para análisis químicos disponibles en el mercado eran fruto de la selección de materias primas, guardadas como un precioso secreto industrial y producidas desde el siglo XVIII con el objetivo de formar un compuesto estable al final. La estabilidad era imprescindible para el éxito del método analítico, ya que la coloración producida debería ser estable y reflejar la concentración que sería determinada.

Mas, sucede que, en algunas aplicaciones, la muestra se enturbia; con todo, en el análisis en flujo ese deterioro no compromete para nada los resultados, ya que la muestra es monitoreada pocos segundos después de su inserción en el analizador. Y además, las muestras y los reactivos empleados se ubican en la franja de los microlitros, lo que redunda en un ahorro de materia prima y poca generación de residuos, aun en casos de productos tóxicos.Hasta el final del mes de octubre de este año, fecha prevista para el cierre del proyecto temático, queda mucho trabajo por delante todavía, pero los resultados obtenidos hasta ahora con los compuestos biomiméticos y los materiales naturales muestran que éstos están listos para su utilización en varios tipos de análisis químicos.

El Proyecto
Empleo de Nuevos Materiales y Diferentes Ambientes de Reacción para la Mejora de la Sensibilidad y la Selectividad en Análisis de Muestras Biológicas y Ambientales
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Elias Ayres Guidetti Zagatto – Centro de Energía Nuclear de Agricultura (Cena)/ USP
Inversión
R$ 221.063,00 y US$ 163.470,00

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