Por: Blanca H. Lapizco-Encinas
Cuando piensas en campos eléctricos, probablemente pienses en electricidad, el material que hace posible la vida moderna al alimentar todo, desde electrodomésticos hasta teléfonos celulares. Los investigadores han estado estudiando los principios de la electricidad desde el siglo XVII. Benjamin Franklin, famoso por su experimento de la cometa, demostró que los rayos eran, de hecho, eléctricos.
La electricidad también ha permitido grandes avances en biología. Una técnica llamada electroforesis permite a los científicos analizar las moléculas de la vida (ADN y proteínas) separándolas por su carga eléctrica. La electroforesis no solo se enseña comúnmente en biología de la escuela secundaria, sino que también es un caballo de batalla de muchos laboratorios clínicos y de investigación, incluido el mío.
Soy una profesora de ingeniería biomédica que trabaja con sistemas electroforéticos miniaturizados. Juntos, mis estudiantes y yo desarrollamos versiones portátiles de estos dispositivos que detectan rápidamente patógenos y ayudan a los investigadores a luchar contra ellos.
¿Qué es la electroforesis?
Los investigadores descubrieron la electroforesis en el siglo XIX al aplicar un voltaje eléctrico a partículas de arcilla y observar cómo migraban a través de una capa de arena. Tras los avances del siglo XX, la electroforesis se convirtió en una práctica habitual en los laboratorios.
Para entender cómo funciona la electroforesis, primero hay que explicar los campos eléctricos, que son fuerzas invisibles que ejercen entre sí las partículas cargadas eléctricamente, como los protones y los electrones. Por ejemplo, una partícula con carga eléctrica positiva se sentiría atraída por una partícula con carga negativa. En este caso se aplica la ley de “los polos opuestos se atraen”. Las moléculas también pueden tener carga; que sea más positiva o más negativa depende de los tipos de átomos que la componen.
En la electroforesis, se genera un campo eléctrico entre dos electrodos conectados a una fuente de alimentación. Un electrodo tiene carga positiva y el otro carga negativa. Se colocan en lados opuestos de un recipiente lleno de agua y un poco de sal, que puede conducir la electricidad.
Cuando hay moléculas cargadas, como el ADN y las proteínas, en el agua, los electrodos crean un campo de fuerza entre ellos que empuja las partículas cargadas hacia el electrodo con carga opuesta. Este proceso se denomina migración electroforética.
En la electroforesis se genera un campo eléctrico entre dos electrodos conectados a una fuente de alimentación. Un electrodo tiene una carga positiva y el otro una carga negativa. Están colocados en lados opuestos de un recipiente lleno de agua y un poco de sal, que puede conducir la electricidad.
Cuando hay moléculas cargadas, como ADN y proteínas, en el agua, los electrodos crean un campo de fuerza entre ellos que empuja las partículas cargadas hacia el electrodo con carga opuesta. Este proceso se denomina migración electroforética.
A los investigadores les gusta la electroforesis porque es rápida y flexible. La electroforesis puede ayudar a analizar distintos tipos de partículas, desde moléculas hasta microbios. Además, la electroforesis se puede realizar con materiales como papel, geles y tubos delgados. En 1972, el físico Stanislav Dukhin y sus colegas observaron otro tipo de migración electroforética llamada electroforesis no lineal que podía separar las partículas no solo por su carga eléctrica, sino también por su tamaño y forma.
Campos eléctricos y patógenos
Los avances posteriores en la electroforesis la han convertido en una herramienta útil para combatir los patógenos. En particular, la revolución de la microfluídica hizo posible la creación de laboratorios diminutos que permiten a los investigadores detectar rápidamente los patógenos.
En 1999, los investigadores descubrieron que estos diminutos sistemas de electroforesis también podían separar patógenos intactos por diferencias en su carga eléctrica. Colocaron una mezcla de varios tipos de bacterias en un capilar de vidrio muy fino que luego fue expuesto a un campo eléctrico. Algunas bacterias salieron del dispositivo más rápido que otras debido a sus distintas cargas eléctricas, lo que hizo posible separar los microbios por tipo. La medición de sus velocidades de migración permitió a los científicos identificar cada especie de bacteria presente en la muestra mediante un proceso que tomó menos de 20 minutos.
La microfluídica mejoró este proceso aún más. Los dispositivos de microfluídica son lo suficientemente pequeños como para caber en la palma de la mano. Su tamaño miniatura les permite realizar análisis mucho más rápido que los equipos de laboratorio convencionales porque las partículas no necesitan viajar tanto a través del dispositivo para ser analizadas. Esto significa que las moléculas o patógenos que buscan los investigadores se detectan más fácilmente y es menos probable que se pierdan durante el análisis.
Por ejemplo, las muestras analizadas con sistemas de electroforesis convencionales tendrían que viajar a través de tubos capilares de entre 30 y 80 centímetros de largo. Estos pueden tardar entre 40 y 50 minutos en procesarse y no son portátiles. En comparación, las muestras analizadas con sistemas de electroforesis diminutos migran a través de microcanales de solo 1 a 5 centímetros de largo. Esto se traduce en dispositivos pequeños y portátiles con tiempos de análisis de aproximadamente dos a tres minutos.
La electroforesis no lineal ha permitido la creación de dispositivos más potentes al permitir a los investigadores separar y detectar patógenos por su tamaño y forma. Mis colegas de laboratorio y yo demostramos que la combinación de la electroforesis no lineal con la microfluídica no solo puede separar distintos tipos de células bacterianas, sino también células bacterianas vivas y muertas.
Sistemas de electroforesis diminutos en medicina
La electroforesis microfluídica tiene el potencial de ser útil en todas las industrias. Principalmente, estos pequeños sistemas pueden reemplazar los métodos de análisis convencionales con resultados más rápidos, mayor comodidad y menor costo.
Por ejemplo, al probar la eficacia de los antibióticos, estos diminutos dispositivos podrían ayudar a los investigadores a determinar rápidamente si los patógenos han muerto después del tratamiento. También podrían ayudar a los médicos a decidir qué fármaco es el más adecuado para un paciente, al distinguir rápidamente entre bacterias normales y bacterias resistentes a los antibióticos.
Mi laboratorio también está trabajando en el desarrollo de sistemas de microelectroforesis para purificar virus bacteriófagos que se pueden utilizar para tratar infecciones bacterianas. Con un mayor desarrollo, el poder de los campos eléctricos y la microfluídica puede acelerar la forma en que los investigadores detectan y combaten los patógenos.
Este artículo es una traducción de otro publicado en The Conversation. Puedes leer el texto original haciendo clic aquí.
