Biosensores

INTRODUCCIÓN

A través de la evolución, durante millones de años, los organismos vivos han

desarrollado sensores moleculares con una eficacia y sensibilidad crecientes para

detectar la presencia de sustancias químicas o de otros organismos que son de

potencial interés metabólico o que reúnen algún tipo de peligrosidad para la

supervivencia de ese organismo (Barba, 1999).

Durante las dos últimas décadas los centros de investigación, tanto públicos como

privados, más avanzados en el contexto internacional, han dedicado recursos

crecientes para desarrollar sistemas analíticos que simulen la capacidad de los

seres vivos para detectar la presencia de ciertos tipos de sustancias u organismos.

Estos sistemas analíticos son llamados biosensores debido a que contiene una

parte biológica (Riviejo, 2000).

La IUPAC define un biosensor como un dispositivo capaz de proporcionar una

información analítica específica cuantitativa o semicuantitativa, utilizando un

elemento de reconocimiento biológico que está en contacto directo con un

elemento transductor. Mediante la combinación apropiada de la biomolécula

(anticuerpo monoclonal, enzima, microorganismo, o receptor) con el transductor

(optoelectrónica, am-perométrico, piezoeléctrico, transistor de efecto de campo,

etc.), puede desarrollarse un biosensor y aplicarse a un requerimiento analítico

particular. En los biosensores no es necesario manipular las muestras, ni usar una

gran variedad de reactivos, sin embargo es posible hacer cientos o incluso miles

de medidas con un único biosensor, se abarata el costo de los ensayos, se

aumenta la rapidez del proceso y además son pequeños y su manejo es más

sencillo. La tecnología de un biosensor ofrece una poderosa herramienta analítica

combinando una especificidad máxima en su detección, así como una elevada

sensibilidad (Regatos, 2012). Gracias a esto, los biosensores han tenido un auge

enorme en los últimos años, y aumentado sus aplicaciones en diferentes campos

como son: la medicina, Biomedicina, farmacéutica, agricultura, la industria vinícola

y cervecera, medio ambiente, ingeniería genética, textiles, bioremediación de

suelos, etc (Maquiera, 2010).

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DESARROLLO

El poderoso avance de la biotecnología en las últimas décadas ha permitido el

desarrollo de una nueva generación de sensores, denominados biosensores.

Suele ser habitual pensar, erróneamente, que un biosensor es un sensor de

sustancias biológicas. En realidad, un biosensor se define como un dispositivo

analítico compuesto por un elemento de reconocimiento biológico (enzimas, ADN,

anticuerpos, células o un microrganismo) o biomimético (aptámeros, polímeros de

huella molecular, etc.) que en contacto con un transductor (electroquímico, óptico,

magnético o mecánico) es capaz de interpretar la reacción de reconocimiento

biológico entre el receptor biológico y su molécula complementaria, y convertirla

en una señal que pueda ser cuantificada (Regatos, 2012).

Fig. 1: Figura que muestra el esquema básico de funcionamiento de un biosensor (Regatos, 2012).

El término biosensor comenzó a utilizarse a partir de 1977 cuando se desarrolló el

primer dispositivo utilizando microorganismos vivos inmovilizados en la superficie

de un electrodo sensible a amonio (Amarin, 2012). Los biosensores, al igual que

cualquier otro tipo de instrumento, han evolucionado a lo largo de la historia.

Anecdóticamente, podríamos decir que los primeros biosensores fueron los

canarios; ya que estas aves se utilizaban antiguamente en las minas de carbón

para detectar gases tóxicos. Los canarios se mueren antes que las personas en

presencia de monóxido de carbono o metano y como suelen estar cantando la

mayoría del tiempo el hecho de que no lo hicieran, se convertía en una alarma

sonora (Baez, 2009).

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Sin embargo el ejemplo más importante y de mayor éxito hasta el momento, es el

biosensor para medir la glucosa en sangre de pacientes diabéticos. Se trata de un

dispositivo más pequeño que un teléfono móvil, cuyo medio de reconocimiento es

la enzima glucosa oxidasa. Fue ideado en el año 1962 por los médicos

estadounidenses Clark y Lyons, en vista de la incomodidad y sufrimiento que

suponía para los  diabéticos someterse a continuos análisis de sangre. Aunque

existen multitud de biosensores distintos, cada uno con sus ventajas e

inconvenientes, muchos de estos ofrecen también la ventaja de la facilidad de

manejo, en realidad lo que se pretende con los biosensores, es crear dispositivos

que estén al alcance de todos, que sean pequeños y practicos como un

esmarphone, porque desafortunadamente la mayoría de los biosensores utilizan

equipos muy grandes y pesados (Lechuga, 2009).

Los biosensores están constituidos por un receptor biológico, que detecta

específicamente una sustancia mediante interacciones biomoleculares, y un

transductor, que interpreta la reacción de reconocimiento biológico que produce el

receptor traduciéndola en una señal cuantificable. Los elementos biológicos

receptores se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores proteicos,

secuencias de oligonucleótidos, fragmentos subcelulares como mitocondrias,

secciones de tejidos animales y vegetales, células completas, etc. y como

transductor dispositivos ópticos, electroquímicos, y mecano-acústicos.

Actualmente la mayoría de los biosensores se fabrican con materiales

ultrasensibles como el silicio y estables como el oro (Lechuga, 2009).

La inmovilización del material biológico es un proceso mediante el que se confina

el bioreceptor sobre el transductor electroquímico, para dar lugar a formas

insolubles que retienen su actividad, podría decirse que es el proceso más

importante en la fabricación de un biosensor, ya que características tan

importantes como el tiempo de vida o la sensibilidad, dependen en gran medida de

la metodología de inmovilización utilizada, como ventajas del empleo de material

biológico inmovilizado cabe destacar el aumento de la estabilidad del receptor

biológico y una posible reutilización del biosensor, disminuyendo el costo del

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proceso, sin embargo existen inconvenientes del proceso de inmovilización tales

como la alteración de la conformación del material biológico respecto a su estado

nativo o en el caso de las enzimas utilizas al perder su actividad catalítica .Esto

sucede debido a que la parte biológica de un biosensor es muy difícil de modelar,

por lo que actualmente no es posible eliminar este detalle (Lechuga, 2009).

Fig. 2 Esquema que muestra los principales componentes y la forma en la que funciona un biosensor

(Maquiera, 2010).

Los biosensores deben poseer una serie de características como las que se

muestran a continuación:

*Ser altamente fiable y específico para el propósito de la aplicación de que su

reacción sea independiente de factores tales como la agitación, la presión, la

temperatura y el pH (Carrazo, 2003).

*Ser selectivo, sensible, estable (permanecer sin cambios) en condiciones

normales de almacenamiento mostrar a su vez estabilidad luego de un gran

número de pruebas (Regatos, 2012).

*La respuesta debe ser rápida (en lo posible en tiempo real) precisa, exacta

reproducible y lineal en el rango de interés del análisis además de no poseer ruido

eléctrico (Carrazo, 2003).

*Si el biosensor será usado para monitoreo invasivo en situaciones clínicas, la

sonda debe ser pequeña y no provocar trastornos en el organismos, tales como

efectos tóxicos o antigénicos (Carrazo, 2003).

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Los biosensores también poseen una clasificación, esta depende de varios

factores, pero podemos clasificarlos de la siguiente forma.

a) Biosensores catalíticos, cuyos receptores pueden ser enzimas, tejidos o

microorganismos: La reacción de reconocimiento molecular va seguida de una

modificación química del analito, que posibilita la detección.

b) Biosensores de afinidad: Entre los que se encuentran los inmunosensores y los

basados en quimiorreceptores y los que utilizan ácidos nucleicos.

El proceso de reconocimiento molecular se basa en la afinidad característica de un

ligando con su receptor (anticuerpos, receptores proteicos, ADN, ARN). Como la

reacción de reconocimiento no genera productos detectables, es necesario utilizar

técnicas de transducción asociadas al proceso de interacción en sí, tales como

cambios de masa, modificación de propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas.

Una segunda clasificación, es la que se basa en el fundamento del transductor.

Atendiendo a este criterio, los biosensores pueden clasificarse en:

a) Electroquímicos que a su vez se dividen en: Potenciométricos, amperométricos

y conductimétricos (Riviejo, 2000).

b) Ópticos, que pueden ser espectroscópicos de absorción, fluorimétricos o

fosforimétricos y otros; Son aquellos que detectan la reacción de reconocimiento a

través de los cambios que esta genera en las propiedades ópticas del transductor,

ya sea a través de la fluorescencia, polarización, dispersión, cambios de índice de

refracción, etc (Regatos, 2012).

Otros son:

C) Térmicos.Se basan en la detección del calor generado en las reacciones

enzimáticas exotérmicas, que se puede relacionar con la concentración de analito.

Estos cambios de temperatura normalmente se determinan por medio de

termistores a la entrada y a la salida del dispositivo en el que se encuentran

inmovilizadas las enzimas (López, 2008)

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Fig. 3: Tabla que muestra los tipos de biosensores según el tipo de receptor o transductor

empleado (Regatos, 2012).

Ahora bien, la aplicación de los biosensores en diferentes disciplinas esta ganando

terreno y su uso aumenta día con día, esto gracias a la alta sensibilidad que

poseen, actualmente existen muchas aplicaciones a continuación se presentan

algunos ejemplos:

Medicina y biomedicina.

Detección de marcadores tumorales y hormonas.

Equipos analíticos para consulta.

Evaluación terapéutica de nuevos fármacos.

Monitoreo de glucosa en pacientes con diabetes.

Sistemas biosensores para autoanálisis realizado por los pacientes. Componentes de órganos artificiales (páncreas artificial, etc).

Detección de patógenos.

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Detección y determinación de organofosforados.

Medición analítica rutina de ácido fólico, biotina, vitamina B12 y ácido pantoténico como alternativa al ensayo microbiológico.

El descubrimiento de medicamentos y evaluación de la actividad biológica de nuevos compuestos.

Detección de metabolitos tóxicos como micotoxinas (Amarin,2012).

Control medioambiental.

Monotorización on-line y off-line de procesos medioambientales: presencia y cuantificación de diferentes analitos en agua (microorganismos, toxinas, etc).

Detección cualitativa y cuantitativa de contaminantes medioambientales (pesticidas, fenoles, etc).

Aplicaciones ambientales, por ejemplo, la detección de pesticidas y río agua contaminantes.

Teledetección de bacterias aerotransportadas por ejemplo, en actividades de contador bioterrorista.

Determinar los niveles de sustancias tóxicas, antes y después de bioremediación(Riviejo, 2000).

Industrias agroalimentarias.

Detección de microorganismos perjudiciales para el alimento.

Detección de toxinas y pesticidas.

Control de calidad de materias primas, productos finales y proceso.

Determinación de residuos de drogas en los alimentos, tales como antibióticos y promotores del crecimiento, especialmente la carne y la miel (González & Iglesias,2009).

Industrias metal-mecánicas.

Aplicaciones de biosensores y sensores químicos en robots químicos de nueva generación.

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Ingeniería genética.

Monitarización " in vivo”.

Análisis genéticos.

Ingeniería de proteínas en biosensores. (Maquiera, 2010).

Por último es importante mencionar los avances tecnológicos de bisensores, un

ejemplo claro de ello es el uso de estos dispositivos en la ropa que permiten los

medir parámetros biológicos para medir la salud (Universal, 2012).

Conclusión

La tecnología de biosensores ofrece una poderosa herramienta capaz de ofrecer

análisis de alta eficiencia, sin tener que interactuar con la muestra, lo que evita la

contaminación del proceso, además de una elevada sensibilidad. Gracias a esto,

los biosensores han tenido un enorme auge en los últimos años, y su investigación

ha aumentado día con día, debido a que los centros de investigación tanto

públicos como privados más avanzados en el contexto internacional, han dedicado

recursos crecientes para desarrollar sistemas analíticos que simulen la capacidad

de los seres vivos para detectar la presencia de ciertos tipos de sustancias u

organismos. Los avances tecnológicos en cuanto al desarrollo de estos aparatos,

han permitido que la calidad y la seguridad en los procesos de producción dentro

de la industria sean rápidos y eficaces.

El uso de los biosensores es sin duda una herramienta muy importante que gana

terreno día con día, actualmente los biosensores tiene aplicaciones en la

medicina, farmacéutica, agricultura, la industria vinícola y cervecera, medio

ambiente, ingeniería genética etc, son tan solo algunos ejemplos, sin duda

creemos que los biosensores serán las herramientas vitales en el desarrollo de los

futuros procesos creados por el hombre.

Bibliografía

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Amarin. (3 de Marzo de 2012). Blogs de Ciencia y Tecnología de Fundación Telefónica. Obtenido de Blogs de Ciencia y Tecnología de Fundación Telefónica: http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2010/07/12/historia-de-los-biosensores/

Baez, M. (2009). Historia de los Biosensores . Redalyc, 23-27.

Barba, S. (1999). Tecnologia de Biosensores. Mexico: Revista numeo 2.

Carrazo, J. M. (2003). biosensores. España: universidad complutence de madrid .

González, V., & Iglesias, E. G. (2009). Aplicaciones de biosensores en la industria agroalimentaria. CEIM, 12-13.

Lechuga, L. (2009). Dispositivos Biosensores: desde el diseño a la aplicación real. Centro Nacional de Microelectrónica (IMM-CNM). Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). España.

López, M. S.-P. (2008). biosensores amperometricos de tirosina para la determinacion de compuestos fenolicos en medios acuosos y no acuosos. españa: universidad complutence de madrid.

Maquiera, Á. (3 de octubre de 2010). ¿ QUÉ SON LOS BIOSENSORES Y PARA QUÉ LOS. Valencia, Universidad Politécnica de Valencia, España.

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