Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un dispositivo en miniatura que es lo suficientemente sensible como para sentir las fuerzas generadas por las bacterias que nadan y escuchar el latido de las células del músculo cardíaco.

El dispositivo es una fibra óptica de tamaño nanométrico que es aproximadamente 100 veces más delgada que un cabello humano. Puede detectar fuerzas de hasta 160 femtonewtons, aproximadamente diez billones de veces más pequeñas que un newton, cuando se coloca en una solución que contiene bacterias vivas Helicobacter pylori. que son bacterias nadadoras que se encuentran en el intestino. En cultivos de células del músculo cardíaco latiendo de ratones, la nano fibra puede detectar sonidos de hasta -30 decibelios, un nivel mil veces inferior al límite del oído humano.

"Este trabajo podría abrir nuevas puertas para rastrear pequeñas interacciones y cambios que antes no se podían rastrear, "dijo el profesor de nanoingeniería Donald Sirbuly en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, quien dirigió el estudio.

Algunas aplicaciones, él prevé, incluir la detección de la presencia y actividad de una sola bacteria; monitorear la formación y ruptura de enlaces; detectar cambios en el comportamiento mecánico de una célula que podrían indicar que se vuelve cancerosa o está siendo atacada por un virus; o un mini estetoscopio para monitorear la acústica celular in vivo.

El trabajo está publicado en Fotónica de la naturaleza el 15 de mayo.

La fibra óptica desarrollada por Sirbuly y sus colegas es al menos 10 veces más sensible que el microscopio de fuerza atómica (AFM), un instrumento que puede medir fuerzas infinitesimalmente pequeñas generadas por la interacción de moléculas. Y aunque los AFM son dispositivos voluminosos, esta fibra óptica tiene solo varios cientos de nanómetros de diámetro. "Es un mini AFM con la sensibilidad de una pinza óptica, "Dijo Sirbuly.

El dispositivo está hecho de una fibra extremadamente fina de dióxido de estaño, recubierto con una fina capa de polímero, llamado polietilenglicol, y tachonado de nanopartículas de oro. Para usar el dispositivo, los investigadores sumergen la nano fibra óptica en una solución de células, envía un haz de luz por la fibra y analiza las señales de luz que envía. Estas señales, en función de su intensidad, indican cuánta fuerza o sonido está captando la fibra de las células circundantes.

"No solo podemos captar estas pequeñas fuerzas y sonidos, podemos cuantificarlos usando este dispositivo. Esta es una nueva herramienta para el sondeo nanomecánico de alta resolución, "Dijo Sirbuly.

Así es como funciona el dispositivo:a medida que la luz viaja por la fibra óptica, interactúa fuertemente con las nanopartículas de oro, que luego dispersan la luz como señales que se pueden ver con un microscopio convencional. Estas señales de luz se muestran con una intensidad particular. Pero esa intensidad cambia cuando la fibra se coloca en una solución que contiene células vivas. Las fuerzas y las ondas sonoras de las células golpean las nanopartículas de oro, empujándolos hacia la capa de polímero que los separa de la superficie de la fibra. Empujar las nanopartículas más cerca de la fibra les permite interactuar más fuertemente con la luz que baja por la fibra, aumentando así la intensidad de las señales luminosas. Los investigadores calibraron el dispositivo para que pudieran hacer coincidir las intensidades de la señal con diferentes niveles de fuerza o sonido.

La clave para que esto funcione es la capa de polímero de la fibra. Actúa como un colchón de muelles que es lo suficientemente sensible como para ser comprimido a diferentes espesores por las fuerzas débiles y las ondas sonoras producidas por las células. Y Sirbuly dice que la capa de polímero se puede ajustar, si los investigadores quieren medir fuerzas más grandes, pueden usar un recubrimiento de polímero más rígido; para una mayor sensibilidad, pueden usar un polímero más blando como un hidrogel.

Avanzando Los investigadores planean utilizar las nano fibras para medir la bioactividad y el comportamiento mecánico de células individuales. Los trabajos futuros también incluyen la mejora de las capacidades de "escucha" de las fibras para crear estetoscopios biológicos ultrasensibles, y afinando su respuesta acústica para desarrollar nuevas técnicas de imagen.