Un equipo de investigación interdisciplinario de Bochum, Duisburg y Zúrich ha desarrollado un nuevo enfoque para construir sensores ópticos modulares capaces de detectar virus y bacterias. Para ello, los investigadores utilizaron nanotubos de carbono fluorescentes con un tipo novedoso de anclajes de ADN que actúan como asas moleculares. Las estructuras de anclaje se pueden usar para conjugar unidades de reconocimiento biológico tales como aptámeros de anticuerpos a los nanotubos. La unidad de reconocimiento puede interactuar posteriormente con moléculas bacterianas o virales en los nanotubos. Estas interacciones afectan la fluorescencia de los nanotubos y aumentan o disminuyen su brillo.
Un equipo formado por el profesor Sebastian Kruss, Justus Metternich y cuatro compañeros de trabajo de la Universidad Ruhr de Bochum (Alemania), el Instituto Fraunhofer de Sistemas y Circuitos Microelectrónicos y la ETH de Zúrich informaron de sus hallazgos en el Journal of the American Chemical Society, publicado en línea el 27 de junio de 2023.
Personalización sencilla de biosensores de nanotubos de carbono
El equipo usó nanosensores tubulares que estaban hechos de carbono y tenían un diámetro de menos de un nanómetro. Cuando se irradian con luz visible, los nanotubos de carbono emiten luz en el rango del infrarrojo cercano. La luz del infrarrojo cercano no es visible para el ojo humano. Sin embargo, es perfecto para aplicaciones ópticas, porque el nivel de otras señales en este rango es muy reducido. En estudios anteriores, el equipo de Sebastian Kruss ya había demostrado cómo se puede manipular la fluorescencia de los nanotubos para detectar biomoléculas vitales. Ahora, los investigadores buscaron una manera de personalizar los sensores de carbono para usarlos con diferentes moléculas objetivo de una manera sencilla.
La clave del éxito fueron las estructuras de ADN con los llamados defectos cuánticos de guanina. Esto implicó vincular bases de ADN al nanotubo para crear un defecto en la estructura cristalina del nanotubo. Como resultado, la fluorescencia de los nanotubos cambió a nivel cuántico. Además, el defecto actuó como un mango molecular que permitió introducir una unidad de detección, que se puede adaptar a la molécula diana respectiva con el fin de identificar una proteína viral o bacteriana específica. « A través de la unión de la unidad de detección a los anclajes de ADN, el montaje de dicho sensor se asemeja a un sistema de bloques de construcción, excepto que las partes individuales son 100.000 veces más pequeñas que un cabello humano », destaca Sebastian Kruss.
El sensor identifica diferentes objetivos bacterianos y virales
El grupo mostró el nuevo concepto de sensor utilizando como ejemplo la proteína espiga del SARS CoV-2. Con este fin, los investigadores utilizaron aptámeros, que se unen a la proteína espiga del SARS CoV-2. “Los aptámeros son hebras de ADN o ARN plegadas. Debido a su estructura, pueden unirse selectivamente a las proteínas”, explica Justus Metternich. « En el siguiente paso, se podría transferir el concepto a anticuerpos u otras unidades de detección ».
Los sensores fluorescentes indicaron la presencia de la proteína SARS-CoV-2 con un alto grado de confiabilidad. La selectividad de los sensores con defectos cuánticos de guanina fue mayor que la selectividad de los sensores sin tales defectos. Además, los sensores con defectos cuánticos de guanina fueron más estables en solución. « Esta es una ventaja si piensa en mediciones más allá de las soluciones acuosas simples. Para las aplicaciones de diagnóstico, tenemos que medir en entornos complejos, por ejemplo, con células, en la sangre o en el propio organismo », dice Sebastian Kruss, quien dirige el Grupo de Biosistemas e Interfaces Funcionales en la Universidad Ruhr de Bochum y es miembro del Grupo de Excelencia de Solvatación Ruhr Explores (RESOLV) y la Escuela Internacional de Graduados en Neurociencia.