Biochip podría detectar múltiples virus, cánceres o toxinas en minutos

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Investigadores han demostrado cómo realizar miles de exámenes moleculares rápidos simultáneamente, utilizando luz para identificar moléculas objetivo atrapadas en la parte superior de una serie de diminutos bloques de silicio.

En teoría, la herramienta podría utilizarse para detectar 160.000 moléculas diferentes en un solo centímetro cuadrado de espacio.

Desarrollada para detectar fragmentos de genes del virus SARS-CoV-2 y otros organismos infecciosos, la tecnología también debería poder identificar marcadores de proteínas de cáncer y moléculas pequeñas que marcan amenazas tóxicas en el medio ambiente.

“Esta tecnología podría desempeñar un papel importante en la forma en que detectamos cosas en el medio ambiente“, dice Chris Scholin, biólogo molecular y presidente y director ejecutivo del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey.

La herramienta también podría ser útil en el diagnóstico clínico, agrega, aunque ya tiene varias tecnologías competidoras en uso generalizado.

Las pruebas genéticas no son nada nuevo. La mayoría de estas tecnologías se basan en la medición de la absorción o emisión de luz de moléculas de sonda adaptadas para adherirse al gen objetivo.

Pero para producir una señal lo suficientemente grande como para detectarla, la mayoría de las tecnologías se basan en técnicas de amplificación como la reacción en cadena de la polimerasa para producir muchas copias del objetivo antes de intentar detectarlas, lo que aumenta el costo y el tiempo de las pruebas.

Los investigadores han ideado una variedad de tecnologías más sensibles.

“Pero los sensores anteriores no han sido capaces de detectar una amplia gama de moléculas objetivo”, desde muy baja a muy alta abundancia, dice Jennifer Dionne, física aplicada de la Universidad de Stanford.

Con la esperanza de solucionar estos problemas, Dionne y sus colegas recurrieron a un enfoque de detección óptica que se basa en metasuperficies, conjuntos de diminutas cajas de silicio, cada una de aproximadamente 500 nanómetros de alto, 600 nanómetros de largo y 160 nanómetros de ancho, que enfocan la luz infrarroja cercana en su superficie superior.

Este enfoque facilita que un microscopio óptico simple detecte el cambio en la longitud de onda de la luz proveniente de cada bloque de silicio, que varía según las moléculas que se encuentran en la parte superior.

Para probar la idea, los investigadores ataron fragmentos de genes monocatenarios de 22 nucleótidos de largo a las cajas de silicio y sumergieron la matriz en una solución tampón.

Cuando agregaron las hebras de ADN complementarias a la solución, las hebras se unieron rápidamente a las atadas, cambiando la longitud de onda de la luz emitida desde la superficie de cada caja.

Dionne y sus colegas informan que su configuración podría detectar la presencia de tan solo 4000 copias de genes objetivo por microlitro.

Esa es una concentración típicamente presente en una muestra nasal de una persona infectada con SARS-CoV-2.

Entonces, la técnica podría permitir a los médicos detectar infecciones virales sin tener que amplificar primero el material genético de un paciente, dice Dionne.

Quizás igual de importante, señala, se puede diseñar una matriz para revelar cuánto ADN objetivo se ha unido, lo que permite detectar en minutos no solo si un virus en particular está presente, sino también qué tan intensa es la infección.

Esta información podría ayudar a los médicos a adaptar sus tratamientos.

Las pruebas actuales también pueden hacer esto, pero normalmente tardan varias horas en amplificar el material genético y cuantificar los resultados.

Scholin argumenta que la tecnología podría encontrar un uso generalizado más inmediato en el seguimiento de moléculas fuera del laboratorio o del consultorio médico.

Por ejemplo, los científicos ambientales actualmente usan sondas genéticas para detectar algas tóxicas en las vías fluviales.

Pero esto normalmente requiere pasos de procesamiento adicionales para amplificar los genes objetivo y luego probar su abundancia, lo que puede llevar horas, si no días, de trabajo de laboratorio.

En esa situación, la velocidad de la nueva técnica podría cambiar las reglas del juego, dice Scholin.

Otra opción tentadora, dice, es atar anticuerpos encima de las cajas de silicio.

Esto podría permitir a los investigadores captar directamente el antígeno correspondiente, ya sea una toxina o una proteína marcadora de enfermedad.

Él espera usar los detectores del equipo de Stanford para ver si pueden detectar toxinas microbianas en el agua directamente sobre la marcha.

“Eso tendría un impacto real en las personas, la ecología y la vida silvestre”, dice.

Dionne y sus colegas formaron una empresa llamada Pumpkinseed Bio para comercializar sus nuevos detectores, destinados específicamente a detectar niveles diminutos de proteínas y otras moléculas que no se pueden amplificar fácilmente para que sean más fáciles de detectar.

Y debido a que solo se necesitaría una pequeña cantidad de bloques de silicio para detectar moléculas objetivo individuales, los investigadores deberían poder crear matrices para rastrear una multitud de biomarcadores de enfermedades simultáneamente.

“Esperamos observar muchos estados de enfermedad al mismo tiempo”, dice Jack Hu, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Dionne y director de la nueva empresa. “Esa es la visión”.

Fuente: Science