Los científicos de la UC Riverside (UCR) han desarrollado una herramienta basada en nanoporos que podría ayudar a diagnosticar enfermedades mucho más rápido y con mayor precisión que las pruebas actuales, al capturar señales de moléculas individuales. Dado que las moléculas que los científicos quieren detectar (generalmente ciertas moléculas de ADN o proteínas) tienen aproximadamente una milmillonésima parte de un metro de ancho, las señales eléctricas que producen son muy pequeñas y requieren instrumentos de detección especializados.
“En la actualidad, se necesitan millones de moléculas para detectar enfermedades. Estamos demostrando que es posible obtener datos útiles a partir de una sola molécula”, dijo Kevin Freedman, profesor adjunto de bioingeniería en la UCR y autor principal de un artículo sobre la herramienta que aparece en Nature Nanotechnology. “Este nivel de sensibilidad podría marcar una diferencia real en el diagnóstico de enfermedades”.
El laboratorio de Freedman tiene como objetivo construir detectores electrónicos que se comporten como neuronas en el cerebro y puedan retener recuerdos: específicamente, recuerdos de qué moléculas pasaron previamente por el sensor. Para ello, los científicos de la UCR desarrollaron un nuevo modelo de circuito que da cuenta de pequeños cambios en el comportamiento del sensor.
En el núcleo de su circuito hay un nanoporo, una pequeña abertura por la que pasan las moléculas de una en una. Las muestras biológicas se cargan en el circuito junto con las sales, que se disocian en iones. Si las moléculas de proteína o ADN de la muestra pasan a través del poro, esto reduce el flujo de iones que pueden pasar.
“Nuestro detector mide la reducción del flujo causada por una proteína o un fragmento de ADN que pasa y bloquea el paso de iones”, dijo Freedman.
Para analizar las señales eléctricas generadas por los iones, sugiere Freedman, el sistema debe tener en cuenta la probabilidad de que algunas moléculas no se detecten al pasar a través del nanoporo. Lo que distingue a este descubrimiento es que el nanoporo no es solo un sensor, sino que actúa como un filtro, reduciendo el ruido de fondo de otras moléculas en una muestra que podrían oscurecer señales críticas.
Los sensores tradicionales requieren filtros externos para eliminar señales no deseadas, y estos filtros pueden eliminar accidentalmente información valiosa de las muestras. El enfoque de Freedman garantiza que se preserve la señal de cada molécula, lo que aumenta la precisión para aplicaciones de diagnóstico.
Freedman prevé que el dispositivo se utilice para desarrollar un pequeño kit de diagnóstico portátil (no más grande que una unidad USB) que pueda detectar infecciones en las primeras etapas. Si bien las pruebas actuales pueden no registrar infecciones hasta varios días después de la exposición, los sensores de nanoporos podrían detectar infecciones en un plazo de 24 a 48 horas. Esta capacidad proporcionaría una ventaja significativa para las enfermedades de rápida propagación, permitiendo una intervención y un tratamiento más tempranos.
“Los nanoporos ofrecen una forma de detectar infecciones antes, antes de que aparezcan los síntomas y antes de que la enfermedad se propague”, dijo Freedman. “Este tipo de herramienta podría hacer que el diagnóstico temprano sea mucho más práctico tanto para las infecciones virales como para las enfermedades crónicas”.
Además del diagnóstico, el dispositivo promete hacer avanzar la investigación sobre proteínas. Las proteínas desempeñan funciones esenciales en las células, e incluso pequeños cambios en su estructura pueden afectar la salud. Las herramientas de diagnóstico actuales tienen dificultades para diferenciar entre proteínas sanas y causantes de enfermedades debido a sus similitudes. Sin embargo, el dispositivo de nanoporos puede medir diferencias sutiles entre proteínas individuales, lo que podría ayudar a los médicos a diseñar tratamientos más personalizados.
La investigación también acerca a los científicos a lograr la secuenciación de proteínas de una sola molécula, un objetivo largamente buscado en biología. Mientras que la secuenciación de ADN revela instrucciones genéticas, la secuenciación de proteínas proporciona información sobre cómo se expresan y modifican esas instrucciones en tiempo real. Esta comprensión más profunda podría llevar a una detección más temprana de enfermedades y terapias más precisas adaptadas a cada paciente.
“Hay mucho impulso hacia el desarrollo de la secuenciación de proteínas porque nos dará información que no podemos obtener solo del ADN”, dijo Freedman. “Los nanoporos nos permiten estudiar las proteínas de formas que antes no eran posibles”.
Los nanoporos son el foco de un esfuerzo en el que el equipo de Freedman intentará secuenciar proteínas individuales. Este trabajo se basa en su investigación previa sobre el refinamiento del uso de nanoporos para detectar moléculas, virus y otras entidades a nanoescala. Ve estos avances como una señal de cómo el diagnóstico molecular y la investigación biológica pueden cambiar en el futuro.
“Todavía hay mucho que aprender sobre las moléculas que impulsan la salud y la enfermedad”, dijo Freedman. “Esta herramienta nos acerca un paso más a la medicina personalizada”.
Freedman espera que la tecnología de nanoporos se convierta pronto en una característica estándar tanto en las herramientas de investigación como en las de atención médica. A medida que los dispositivos se vuelvan más asequibles y accesibles, podrían encontrar un lugar en los kits de diagnóstico cotidianos que se utilizan en el hogar o en las clínicas.
“Estoy seguro de que los nanoporos se convertirán en parte de la vida cotidiana”, dijo Freedman. “Este descubrimiento podría cambiar la forma en que los usaremos en el futuro”.
Fuente: Phys.org.
