Los científicos de UC Riverside han desarrollado una herramienta basada en nanoporos que puede ayudar a diagnosticar enfermedades más rápido y con mayor precisión que lo que permiten las pruebas actuales, al capturar señales de moléculas individuales.
Debido a que las moléculas que los científicos quieren detectar (generalmente algunas moléculas de ADN o proteínas) tienen aproximadamente una milmillonésima parte de un metro de ancho, las señales eléctricas que generan son muy pequeñas y específicas.
“En este momento, se necesitan millones de moléculas para detectar enfermedades. Estamos demostrando que es posible obtener datos útiles con una sola molécula”, dijo Kevin Friedman, profesor asistente de bioingeniería en la UCR y autor principal. Papel Acerca de la herramienta Nanotecnología de la naturaleza. “Este nivel de sensibilidad puede marcar una diferencia real en el diagnóstico de enfermedades”.
El laboratorio de Friedman tiene como objetivo crear detectores electrónicos que se comporten como neuronas en el cerebro y puedan retener recuerdos: específicamente, recuerdos de moléculas que previamente pasaron 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 corazón de su circuito hay un nanoporo, un pequeño agujero a través del cual pasan las moléculas de una en una. Las muestras biológicas se llenan en el circuito con 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 causado por una proteína o partícula de ADN que atraviesa y bloquea el paso de iones”, dijo Friedman.
Para analizar las señales eléctricas generadas por los iones, sugirió Friedman, el sistema debe tener en cuenta la posibilidad de que algunas moléculas pasen a través del nanoporo sin ser detectadas.
Lo que distingue a este descubrimiento es que el nanoporo no es solo un sensor, sino que actúa como un filtro en sí mismo, reduciendo el ruido de fondo de otras moléculas en una muestra que puede oscurecer señales importantes.
Los sensores convencionales requieren filtros externos para eliminar señales no deseadas y estos filtros pueden eliminar accidentalmente información valiosa de las muestras. El enfoque de Friedman garantiza que se preserve la señal de cada molécula, lo que aumenta la precisión de las aplicaciones de diagnóstico.
Friedman imagina que el dispositivo se utilizará para desarrollar un kit de diagnóstico pequeño y portátil (no más grande que una unidad USB) que pueda detectar infecciones en las primeras etapas. Si bien es posible que las pruebas actuales no registren la infección durante varios días después de la exposición, los sensores de nanoporos pueden detectar la infección dentro de 24 a 48 horas. Esta capacidad proporcionará una ventaja significativa para las enfermedades que se propagan rápidamente, permitiendo una intervención y un tratamiento tempranos.
“Los nanoporos ofrecen una manera de detectar infecciones tempranamente, antes de que aparezcan los síntomas y la enfermedad se propague”, dijo Friedman. “Este tipo de dispositivo podría hacer que el diagnóstico temprano sea más práctico tanto para infecciones virales como para enfermedades crónicas”.
Más allá del diagnóstico, el dispositivo es prometedor para avanzar en la investigación de proteínas. Las proteínas desempeñan funciones esenciales en las células e incluso pequeños cambios en su composición pueden afectar la salud. Las herramientas de diagnóstico actuales luchan por distinguir entre proteínas saludables y patógenas debido a sus similitudes. Sin embargo, el dispositivo Nanopore puede medir diferencias sutiles entre proteínas individuales, lo que ayuda a los médicos a diseñar tratamientos más personalizados.
La investigación acerca a los científicos a lograr una secuencia de proteínas de una sola molécula, un objetivo largamente buscado en biología. Mientras que las secuencias de ADN revelan instrucciones genéticas, las secuencias de proteínas proporcionan información sobre cómo estas instrucciones se expresan y cambian en tiempo real. Esta comprensión más profunda puede conducir a una detección más temprana de enfermedades y a un tratamiento más preciso y adaptado a cada paciente.
“Hay mucho impulso hacia el desarrollo de secuencias de proteínas porque eso nos dará información que no podemos obtener sólo del ADN”, dijo Friedman. “Los nanoporos nos permiten estudiar proteínas de formas que antes no eran posibles”.
Los nanoporos son el foco de una subvención de investigación concedida a Friedman por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano en la que su equipo intentará secuenciar proteínas individuales. Este trabajo se basa en investigaciones anteriores de Friedman sobre la optimización del uso de nanoporos para detectar moléculas, virus y otras entidades a nanoescala. Considera que estos avances son una señal de cómo el diagnóstico molecular y la investigación biológica pueden cambiar en el futuro.
“Aún queda mucho por aprender sobre las moléculas que impulsan la salud y la enfermedad”, afirmó Friedman. “Esta herramienta nos acerca un paso más a la medicina personalizada”.
Friedman espera que la tecnología de nanoporos se convierta pronto en una característica estándar tanto en dispositivos de investigación como de atención sanitaria. A medida que los dispositivos se vuelven más asequibles y accesibles, es posible que encuentren un lugar en los kits de diagnóstico cotidianos que se utilizan en el hogar o en la clínica.
“Creo que los nanoporos se convertirán en parte de la vida cotidiana”, afirmó Friedman. “Este descubrimiento podría cambiar la forma en que los usamos en el futuro”.
