En los organismos vivos, las células tienen una capacidad muy alta para procesar y comunicar información moviendo moléculas o iones a través de pequeños canales que atraviesan la membrana celular. El laboratorio del profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática de UC Santa Cruz, Marco Rolandi, y sus colaboradores en el MIT han creado un dispositivo que imita este concepto biológico para detectar enfermedades.

Utilizando su sistema bioprotónico, un dispositivo que integra componentes electrónicos con componentes biológicos y utiliza corrientes eléctricas de protones, los investigadores pueden detectar biomoléculas que indican la presencia de enfermedades humanas, entre otras aplicaciones. Los detalles sobre este dispositivo están publicados en la revista Nature Communications. .

"Las células tienden a estar interconectadas:se comunican entre sí o con el entorno externo mediante estos canales intermembrana", dijo Rolandi. "Lo que nos propusimos hacer con nuestros colaboradores en el MIT fue crear un canal de iones artificial de manera que pudiéramos ajustar las propiedades del canal de iones y su funcionalidad como deseáramos".

Utilizando una técnica llamada origami de ADN, los investigadores del MIT pueden diseñar mediante bioingeniería una hebra de ADN, que naturalmente toma la forma de una doble hélice, en cualquier forma que deseen. Para este proyecto, crearon un pequeño túnel especialmente programado para que una corriente de protones (H-plus) lo atraviese de manera óptima. Este pequeño canal se conoce como nanoporo, un concepto que fue pionero originalmente en la UCSC.

El nanoporo de ADN se encuentra dentro del sistema bioprotónico de Rolandi, que está diseñado para imitar el mundo acuoso y conductor de iones del entorno celular. Una doble capa de lípidos similar a una membrana celular separa el agua que representa el entorno exterior de una célula de un electrodo que representa el interior de una célula, y el nanoporo incrustado actúa como un canal entre los dos lados.

El electrodo envía una corriente de protones a través del canal del nanoporo al otro lado del nanoporo, donde hay un sitio de unión de moléculas que se puede personalizar para que se le adhieran biomoléculas específicas de interés. Si una de esas moléculas está presente en el agua, se adherirá a un extremo del nanoporo y bloqueará el flujo de protones a través del canal.

El dispositivo traduce la señal de protones en una señal electrónica que los investigadores pueden leer. Cuando el dispositivo no detecta protones que fluyen a través del canal, los investigadores saben que hay una biomolécula presente.

El dispositivo también incluye dos mangos hechos de colesterol que se posicionan a través de la bicapa lipídica y mejoran la conductividad de los protones a través del canal de nanoporos.

"La singularidad del enfoque es la combinación de estos dispositivos conductores de protones con bicapas lipídicas de soporte, y creo que somos los únicos grupos que estamos trabajando en ellos, con este diseño de base para los nanoporos de ADN", dijo Rolandi. "La novedad es tanto la integración del dispositivo como la capacidad de detectar utilizando estos nanoporos de ADN."

En el artículo, los investigadores muestran que pueden utilizar el sistema bioprotónico para la detección de la biomolécula péptido natriurético de tipo B, un indicador de enfermedad cardíaca. Esto muestra el potencial del dispositivo para ser utilizado para la detección de biomoléculas en un entorno clínico o in vitro.

En el futuro, los investigadores imaginan que el dispositivo podría contener múltiples nanoporos, cada uno de ellos programado para detectar un tipo diferente de biomolécula.

"Definitivamente es parte del atractivo del sistema:en un futuro cercano podríamos multiplexarlo, por lo que podríamos tener un conjunto completo de biosensores", dijo Rolandi.

Los investigadores de la UCSC Le (Dante) Luo, Yunjeong Park y Jesse Vicente contribuyeron a este artículo. En este proyecto también participaron investigadores de la Universidad de Washington y la Universidad de Economía y Tecnología TOBB en Ankara, Turquía.

Más información: Le Luo et al, nanoporos de ADN como canales de membrana artificiales para bioprotónicos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40870-1

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de California - Santa Cruz