Científicos de la Universidad de Massachusetts Amherst anunciaron recientemente la invención de un nanocable, 10 000 veces más delgado que un cabello humano, que puede ser cultivado a bajo costo por bacterias comunes y puede ajustarse para « olfatear » una amplia gama de marcadores químicos, incluidos los que se proporcionan por personas que padecen diferentes afecciones médicas, como asma y enfermedad renal. Miles de estos cables especialmente ajustados, cada uno de los cuales detecta una sustancia química diferente, pueden colocarse en capas en pequeños sensores portátiles. Dado que estos cables son cultivados por bacterias, son orgánicos, biodegradables y mucho más ecológicos que cualquier nanocable inorgánico.

Para lograr estos avances, que se detallaron en la revista Biosensors and Bioelectrics, los autores principales Derek Lovley, Profesor Distinguido de Microbiología en UMass Amherst, y Jun Yao, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de UMass Amherst, necesitaban buscar no más allá de sus propias narices. « La nariz humana tiene cientos de receptores, cada uno sensible a una molécula específica », dice Yao. « Son mucho más sensibles y eficientes que cualquier dispositivo mecánico o químico que pueda diseñarse. Nos preguntamos cómo podríamos aprovechar el diseño biológico en sí mismo en lugar de depender de un material sintético ».

En otras palabras, el equipo se preguntó si podrían trabajar con la naturaleza para detectar enfermedades, y resultó que eso fue lo que hicieron.

La respuesta comienza con una bacteria conocida como Geobacter sulfurreducens, que Lovley y Yao usaron previamente para crear una biopelícula capaz de producir electricidad continua a largo plazo a partir de su sudor. G. sulfurreducens tiene la sorprendente capacidad natural de hacer crecer diminutos nanocables eléctricamente conductores.

Pero G. sulfurreducens es una bacteria delicada que necesita condiciones específicas para crecer, lo que dificulta su uso a gran escala. « Lo que hemos hecho », dice Lovley, « es tomar el ‘gen del nanocable’, llamado pilina, de G. sulfurreducens y empalmarlo en el ADN de Escherichia coli, una de las bacterias más extendidas en el mundo.. »

Una vez que se eliminó el gen de la pilina de G. sulfurreducens, Lovley, Yao y su equipo lo modificaron para que incluyera un péptido específico, conocido como DLESFL, que es extremadamente sensible al amoníaco, una sustancia química que suele estar presente en el aliento de las personas con insuficiencia renal. enfermedad. Cuando empalmaron el gen pilin modificado en el ADN de E. coli, la bacteria modificada genéticamente produjo diminutos nanocables erizados con el péptido sensible al amoníaco. Luego, el equipo recolectó estos nanocables sensibles al amoníaco y los incorporó en un sensor.

« La modificación genética de los nanocables los hizo 100 veces más sensibles al amoníaco de lo que eran originalmente », dice Yassir Lekbach, coautor principal del artículo e investigador postdoctoral en microbiología en UMass Amherst. « Los nanocables producidos por microbios funcionan mucho mejor como sensores que los sensores descritos anteriormente fabricados con nanocables de silicio o metal tradicionales ».

Y no hay necesidad de limitar estos nuevos sensores solo a amoníaco y enfermedad renal. Toshiyuki Ueki, el otro coautor principal del artículo y profesor de investigación en microbiología en UMass Amherst, dice que « es posible diseñar péptidos únicos, cada uno de los cuales se une específicamente a una molécula de interés. Entonces, a medida que más moléculas trazadoras, emitidas por el cuerpo y que son específicos para una enfermedad en particular.

Un nuevo paradigma para la ingeniería eléctrica.

Los nanocables tradicionales, hechos de silicio o fibra de carbono, pueden ser altamente tóxicos (los nanotubos de carbono son en sí mismos cancerígenos) y terminan como desechos electrónicos no biodegradables. Sus materias primas pueden requerir enormes cantidades de energía y productos químicos para cosechar y procesar, además de dejar un profundo impacto ambiental. Pero debido a que los nanocables de Lovley y Yao se cultivan a partir de bacterias comunes, son mucho más sostenibles.

« Una de las cosas más emocionantes de esta línea de investigación », dice Yao, « es que estamos llevando la ingeniería eléctrica en una dirección fundamentalmente nueva. En lugar de cables hechos de materias primas escasas que no se biodegradan, la belleza de estos nanocables de proteínas es que se puede utilizar el diseño genético de la vida para construir una plataforma estable, versátil, de bajo impacto y rentable ».

Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y nutrida por el Instituto de Ciencias de la Vida Aplicadas (IALS) en UMass Amherst, que combina la experiencia profunda e interdisciplinaria de 29 departamentos para traducir la investigación fundamental en innovaciones que benefician la salud y el bienestar humanos.