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Jul 13, 2023

Seda

Investigadores de la Escuela de Ingeniería de Tufts han desarrollado una forma de detectar bacterias, toxinas y sustancias químicas peligrosas en el medio ambiente utilizando un sensor de biopolímero que se puede imprimir como tinta en una amplia gama.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería de Tufts han desarrollado una forma de detectar bacterias, toxinas y productos químicos peligrosos en el medio ambiente utilizando un sensor de biopolímero que se puede imprimir como tinta en una amplia gama de materiales, incluidos artículos portátiles como guantes, máscaras o artículos de uso diario. ropa. Incluso puede integrarse en drones para detectar trazas de SARS-CoV-2 en el aire, o podría modificarse para adaptarse a cualquier próxima amenaza para la salud pública.

El sensor, que se basa en proteínas diseñadas computacionalmente y fibroína de seda extraídas de los capullos de la polilla de la seda Bombyx Mori, también puede incrustarse en películas, esponjas y filtros, o moldearse como plástico para tomar muestras y detectar peligros transmitidos por el aire y el agua, o Se utiliza para señalar infecciones o incluso cáncer en nuestros cuerpos.

Estos sensores suponen un gran salto con respecto a otros enfoques para medir patógenos o sustancias químicas en el medio ambiente, que a menudo dependen de componentes biológicos que se degradan rápidamente y requieren un almacenamiento cuidadoso. Los sensores tampoco dependen de componentes electrónicos que pueden ser difíciles de integrar en materiales portátiles flexibles.

Para obtener más información sobre esto, entrevisté a dos de los investigadores, Fiorenzo Omenetto, profesor de ingeniería Frank C. Doble y director del Tufts Silklab, y Giusy Matzeu, ex profesor de investigación del Silklab.

“Nuestro método de detección puede monitorear en tiempo real lo que sucede en el medio ambiente. También puede detectar lo que puede ocurrir en el cuerpo humano monitorizando, de forma no invasiva, fluidos biológicos como la saliva o el aliento”, afirma Matzeu.

El componente activo del sensor de biopolímero, que fue desarrollado por David Baker, profesor de bioquímica Henrietta y Aubrey Davis en el Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington, es un interruptor molecular diseñado utilizando técnicas de dinámica molecular e inteligencia artificial. Estos interruptores moleculares están hechos de proteínas sintéticas que actúan como una cerradura y una llave, en una jaula, y son sensibles a un analito en particular.

Cuando un virus, toxina u otra molécula objetivo se acerca, se une al interruptor y abre la jaula. Otra parte del interruptor, una llave molecular, puede entonces encajar en la cerradura, y la combinación forma una enzima luciferasa completa, similar a la enzima que ilumina las luciérnagas y las luciérnagas. La intensidad de la luminiscencia aumenta con los cambios en la concentración de la molécula objetivo: el analito.

En el lenguaje más formal de su artículo publicado en la edición del 9 de diciembre de 2022 de Advanced Materials: “En los interruptores proteicos diseñados de novo, la función de detección la proporciona la sinergia de dos componentes proteicos diseñados, el lucCage y el lucKey que pueden cambiar de un estado oscuro cerrado a un estado luminiscente abierto en presencia de un analito. La bioluminiscencia de luciferasa resultante proporciona una lectura rápida, específica y sensible de la asociación de interruptor lucCage-lucKey impulsada por el analito”.

El interruptor luminoso molecular está incrustado en una mezcla de proteínas de origen natural extraídas de capullos de seda, llamada fibroína de seda. La fibroína de seda regenerada (RSF) es el componente inactivo del sensor de biopolímero, pero tiene características únicas, incluida la capacidad de procesarse y fabricarse utilizando métodos seguros a base de agua, y una notable versatilidad para fabricarse en diferentes formatos, como películas, esponjas y tintas que se transfieren fácilmente a las superficies mediante impresoras comerciales. Además, la fibroína de seda estabiliza el interruptor molecular y prolonga enormemente su vida útil.

Se realizaron pruebas de envejecimiento acelerado en esponjas y películas sensibles que se almacenaron a 60 °C (140 °F) durante cuatro meses y se analizó su capacidad de respuesta después de intervalos de tiempo específicos. Durante el período de cuatro meses, se conservó el rendimiento de detección de estos formatos (tanto la sensibilidad como el rango dinámico). Además, se probó la estabilidad de las esponjas después de almacenarlas durante un año a temperatura ambiente y se encontró que aún respondían.

“Si mezclas la proteína interruptor diseñada artificialmente con seda y le das la forma de un dron, de una tinta, de una película, de lo que sea, no es trivial que la proteína sensora aún se comporte de la misma manera. Y he aquí que así es. La seda es el vehículo para estabilizar la molécula sensible basada en proteínas para que puedas darle la forma que desees”, dijo Omenetto.

Uno de los beneficios importantes de esta tecnología, según Omenetto, es que se puede distribuir y localizar la interfaz de detección en artículos portátiles, por ejemplo.

Si mides sólo un punto, digamos la variación de un analito registrado en tu hombro, es bastante inútil. Pero si lo distribuyes por todo tu cuerpo, te da una idea general de lo que está haciendo la fisiología de tu cuerpo, y esa es información valiosa. Estás tomando algo que es muy simple y lo estás distribuyendo por todas partes para que la información general, la información colectiva, te proporcione datos significativos. “Es algo así como el ECG de tu Apple Watch. No es tan bueno como un ECG registrado en un hospital por un médico, pero te da tu línea de base, tus tendencias y tus variaciones, lo cual es muy útil”, dijo Omenetto.

Se elabora una tinta sensorial particular desarrollando un “cóctel” de detección que depende de las moléculas que se colocan en la mezcla a base de seda. Se agregan moléculas diseñadas para apuntar específicamente a un determinado analito y luego se aplican al sustrato, que puede ser una máscara, un guante, una esponja o incluso un tapiz.

Existe una biblioteca de opciones para diferentes analitos. La biblioteca surge de la investigación y el desarrollo del proyecto, "...utilizando el arte del Instituto de Diseño de Proteínas y el trabajo de David Baker", dijo Omenetto. "Te diriges a moléculas particulares y construyes, mediante dinámica molecular e inteligencia artificial, un diseño que tendrá una sensibilidad particular a ese analito, y luego sintetizas una molécula que no existe en la naturaleza".

Para leer el resultado, se rocía el sustrato que incorpora el patrón sensible a la proteína de seda con el químico no tóxico furimazina, que activa la respuesta fotoluminiscente del área de detección. La lectura se puede realizar con una cámara digital de bajo costo y/o una aplicación para teléfono inteligente.

En su artículo en Advanced Materials, los autores señalan que la solución RSF/proteína puede diseñarse específicamente para otras aplicaciones diferentes a las antes mencionadas. Por ejemplo, mediante el uso de electrohilado, se pueden fabricar materiales porosos para cubrir la cara o filtros de aire que monitorean y protegen simultáneamente contra la contaminación biológica en aerosoles.

Otra posible aplicación que están investigando es la de controlar el cáncer de forma no invasiva mediante biomarcadores presentes en determinados fluidos biológicos. Por ejemplo, se podrían desarrollar protectores mamarios para la detección temprana del cáncer de mama cuando hay secreción espontánea del pezón.

Una de las conclusiones importantes de esta investigación es, como lo expresó Matzeu: “Son todos los diferentes roles y funciones que entran en juego juntos: biólogos sintéticos, científicos informáticos, científicos de materiales y el diseñador de la interfaz. Se trata de cómo diferentes disciplinas pueden unirse para brindar un producto final. Es una unión de diferentes personas con diferentes conocimientos y perspectivas, es la sinergia multifuncional de expertos en diferentes campos que pueden desarrollar una herramienta de detección única”.

Este artículo fue escrito por Ed Brown, editor de Sensor Technology. Para obtener más información, vaya a aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de mayo de 2023 de la revista Sensor Technology.

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