Nanotecnología de plata en biosensores

El desarrollo de los biosensores se ha incrementado recientemente, ya que esta tecnología permite la detección de una enfermedad o anomalía en el cuerpo humano; por ejemplo, la inflamación causada por agentes agresores del organismo humano, facilitando así el diagnóstico preciso por parte del médico. Asimismo, sirve para detectar la presencia de algún compuesto no deseado en alimentos y agua, por mencionar algunas aplicaciones.

El biosensado es la detección de (bio)moléculas usando una plataforma que combina un componente biológico (para detectar lo que se desea detectar) y un sistema que convierte un fenómeno de detección en una señal interpretable. En el caso de los biosensores ópticos la señal detectada es en forma de fotones o luz.

Dentro de los biosensores ópticos se encuentran los de tipo fluorescente, en los que se utilizan partículas que al ser excitadas con la luz de una determinada longitud de onda y energía asociada, presentan una emisión luminosa en otra longitud de onda, generalmente en el espectro visible, de manera que podemos visualizarla a simple vista.

Un ejemplo de materiales fluorescentes son los clústeres de plata, los cuales son materiales sub-nanométricos compuestos por unos cuantos átomos del metal que presentan emisión después de un proceso de reducción de temperatura al contar con estados discretos de energía, es decir, los niveles de energía discretos son como los escalones de una escalera.

El proceso fotoluminiscente es como una canica que sube y baja esos escalones, con la luz siendo la energía que la hace saltar a niveles superiores o que se libera cuando baja de nivel, asemejándose este tipo de transiciones a los de los átomos o moléculas.

Sin embargo, al ser partículas tan pequeñas tienden a juntarse formando partículas más grandes, lo que hace que pierden su fluorescencia. Para enfrentar este problema, se emplean diversas plantillas estabilizadoras para preservar las propiedades fluorescentes de los clústeres de plata, tales como las zeolitas, que son materiales aluminosilicatos con cavidades de tamaño nanométricas que pueden albergar a estos clústeres de plata aumentando su estabilidad.

Aplicaciones en biosensado inmunológico

Un grupo de científicos mexicanos formado por Cecilia García Guzmán del Centro de Investigaciones en Óptica, Eden Morales Narváez del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM y Eduardo de Jesús Coutiño González del VITO, Flemish Institute for Technological Research en Bélgica, proponen un sistema innovador de biosensado immunológico basado en clústeres luminiscentes de plata confinados en zeolitas que permite la detección de diversos agentes, tales como anticuerpos IgG o bacterias como la Escherichia coli.

Su aportación consiste en el desarrollo de un protocolo para modificar la superficie de estas partículas mediante el uso de anticuerpos como elementos de bio-reconocimiento que le permiten a la biomolécula a analizar,  unirse de manera selectiva a la superficie de estas partículas, discriminando así entre otras moléculas que pudieran causar interferencia y afectar el diagnóstico.

Además, estas partículas fueron empleadas en muestras biológicas, tales como el suero humano, permitiendo detectar de manera selectiva los anticuerpos IgG presentes.

Este novedoso sistema de biosensado, denominado por los científicos creadores como BioLuSiC, es capaz de percibir estímulos mediante un cambio en el ambiente electrónico alrededor de los clústeres de plata, lo que lleva a una modificación en la emisión, ya sea en la longitud de onda o en la intensidad de emisión.

Dicho sistema tiene ventajas en términos de costo, sencillez del procedimiento y también en el tiempo de ejecución, ya que un inmunosensayo convencional equivalente requiere de más de seis horas para conseguir un resultado, mientras que BioLuSiC entrega resultados a partir de 5 minutos.

Gracias a este mecanismo, aunado a la rapidez y simplicidad con la que se obtienen los resultados (comparándose con las pruebas comúnmente usadas para inmunoensayos, las cuales constan de varias etapas que consumen horas), es que BioLuSiC ha sido considerado como un sistema de detección innovador.

Un reporte sobre el desarrollo se encuentra en la revista Angewandte Chemie International Edition. Dada la relevancia, la publicación científica también seleccionó a esta investigación para ser destacada en la portada.

La plataforma de biosensado consiste en colocar en pocillos comúnmente usados para ensayos immunológicos, una cierta cantidad de la muestra a analizar  y agregar unos cuantos microlitros de una suspensión de clústeres de plata en zeolitas y luego de pocos minutos, excitar con una fuente de luz ultravioleta y recolectar la emisión de los clústeres para determinar la concentración presente del analito que se desea medir.

Así ofrece resultados en alrededor de 20 minutos en el caso de detección de anticuerpos y 5 minutos en el caso de bacterias de E. coli con un límite de detección en el orden de los pg/mL en el caso de anticuerpos y unas cuantas CFU/mL en el caso de bacterias.

El costo por prueba a nivel laboratorio rondaría los $10 pesos mexicanos. La implementación de este sistema de biosensado en diversas áreas de la ciencia permitiría la detección rápida, oportuna y a un bajo costo de diversas sustancias y componentes de la muestra que se requiera monitorear.

Como parte de una segunda etapa, los científicos involucrados trabajan en el desarrollo de dispositivos portátiles para incrementar la accesibilidad y simplicidad de este sistema de biosensado.

Para saber más:

Cecilia García-Guzmán, Eden Morales-Narváez and Eduardo Coutino-Gonzalez, Bioactive Luminescent Silver Clusters Confined in Zeolites Enable Quick and Wash-Free Biosensing, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307718. https://doi.org/10.1002/anie.202307718

*Cecilia García Guzmán. Maestra en ciencias (óptica) por el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) en 2021. Actualmente se encuentra cursando el segundo año del doctorado en ciencias (óptica) en la misma institución.

** Eduardo Coutino González. Doctor por la KU Leuven (Bélgica. Se desempeña como investigador en el Flemish Institute for Technological Research (VITO, Bélgica), en la división de Materiales Sustentables. 

*** Eden Morales Narváez. Doctor en Ingeniería Biomédica por la Universidad Politécnica de Cataluña, España. Investigador en el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Su investigación se ha enfocado en nanomateriales ópticamente activos.

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