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Diseñan dispositivos celulares impresos en papel para detectar y procesar señales biológicas fuera del laboratorio

Diseñan dispositivos celulares impresos en papel para detectar y procesar señales biológicas fuera del laboratorio

Los investigadores del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud de la UPF Sira Mogas-Díez, Eva Gonzalez-Flo y Javier Macía han diseñado un dispositivo celular con capacidad de computación. Es una aproximación que puede permitir producir biosensores para aplicaciones como la detección de mercurio, de cólera o del riesgo de preeclampsia de manera industrial a muy bajo coste.

19.03.2021

Imatge inicial

El Grupo de Investigación en Biología Sintética para Aplicaciones Biomédicas de la UPF ha diseñado un dispositivo celular con capacidad de computación mediante la impresión de células en papel. Por primera vez, han desarrollado un dispositivo vivo que se podría usar fuera del laboratorio sin un especialista, y se podría producir de manera industrial a bajo coste. El estudio ha sido publicado en Nature Communications y lo ha realizado el equipo formado por Sira Mogas-Díez, Eva Gonzalez-Flo y Javier Macía.

Actualmente, disponemos de muchos dispositivos electrónicos como los ordenadores o las tablets que tienen una capacidad de computación muy eficiente. Pero, a pesar de su potencia, son dispositivos muy limitados para detectar marcadores biológicos, como por ejemplo los que indican la presencia de una enfermedad. Por este motivo, hace unos años se empezaron a desarrollar “ordenadores biológicos”, es decir, dispositivos celulares vivos que pueden detectar múltiples marcadores y generar respuestas complejas. En estos, los investigadores aprovechan los receptores biológicos de las células que permiten detectar señales exógenas y, mediante biología sintética, las modifican para que emitan una respuesta en función de la información que detectan.

Curiosamente, utilizan “tintas” de diferentes tipos celulares con nutrientes para “dibujar” los circuitos. Las células quedan atrapadas dentro del papel, vivas y funcionales, y ahí siguen creciendo y son capaces de liberar señales que viajan por el papel y llegan a otras células.
 

Hasta ahora se han desarrollado dispositivos celulares que tienen que funcionar en el laboratorio, durante un tiempo limitado, bajo unas condiciones concretas y deben ser manipulados por una persona especialista en biología molecular. Ahora, un equipo de investigadores de la UPF, ha desarrollado una nueva tecnología para “estampar” dispositivos celulares en papel que se puede usar fuera del laboratorio.

Curiosamente, utilizan “tintas” de diferentes tipos celulares con nutrientes para “dibujar” los circuitos. Las células quedan atrapadas dentro del papel, vivas y funcionales, y ahí siguen creciendo y son capaces de liberar señales que viajan por el papel y llegan a otras células. La razón para hacer esto en papel (u otras superficies como los tejidos) es eminentemente práctica; es barato y fácil de adaptarlo a uso industrial, se podría hacer una producción de grandes cantidades a muy bajo precio. “Queríamos diseñar un método escalable y pensamos en usar un sistema de estampación como el de las camisetas”, detalla Sira Mogas-Díez, primera autora del estudio. “Hacemos unos moldes con nuestro dibujo, lo mojamos en las diferentes tintas celulares como un tampón, lo ponemos sobre el papel y las células quedan depositadas”, añade. Un punto fuerte es que estos dispositivos en papel se pueden guardar en la nevera o incluso se pueden congelar, ya que a la tinta celular se incorporan criopreservadores que lo permiten. Así, a diferencia de los dispositivos anteriores, estos se pueden conservar largos periodos de tiempo antes de usarlos.

 

En esta nueva aproximación, cada elemento del dispositivo es un grupo de células, en este caso bacterias, con unas modificaciones genéticas mínimas que pueden detectar diferentes señales. Las células viven en la tira de papel y se comunican entre ellas, integran las señales y generan una respuesta u otra en función de las diferentes combinaciones de señales detectadas. Los elementos no varían, pero cambiando su ordenación en el espacio mediante el dibujo que hacen en el papel, pueden construir dispositivos con funcionalidades diferentes. “Por lo tanto, el orden en el cual están puestas las células es el software, las células son el hardware y el papel es el sustrato físico donde están estas células”, ejemplifica Javier Macía, coordinador del trabajo.

El equipo de investigadores ha diseñado diferentes dispositivos biosensores, uno con una aplicación específica para detectar mercurio. La aportación del sistema respecto a otros existentes es que muestra una estimación visual de la concentración de mercurio sin necesidad de un dispositivo en el laboratorio que lo mida. En función de la cantidad de mercurio presente, aparecen más o menos puntitos en la tira reactiva que se pueden contar a simple vista.
 

Otra aplicación que están desarrollando se basa en detectar el cólera en aguas contaminadas. “En las poblaciones que tienen riesgo de cólera muchas veces no se dispone de un laboratorio ni de un especialista. Por eso, nuestra idea era desarrollar un nuevo método que nos permitiera sacar la tecnología viva fuera del laboratorio y utilizarla sobre el terreno. Nuestra aproximación es interesante para abordar este tipo de problemas porque es muy barata y posibilita la producción de dispositivos celulares en cantidades industriales”, explica Sira Mogas-Díez.

Sin duda queda mucho trabajo por hacer, pero estos primeros resultados apuntan a que la metodología desarrollada puede ser el medio que facilite la creación de productos comerciales basados en dispositivos vivos.

Otro de los potenciales usos, sería para identificar, por ejemplo, el riesgo de preeclampsia. Su detección no depende de un solo marcador, sinó de una compleja combinación de estos. Una tira reactiva con el dispositivo celular con la configuración adecuada podría detectar las combinaciones de biomarcador, analizarlas y determinar el riesgo de una embarazada de sufrir esta enfermedad.

“Sin duda queda mucho trabajo por hacer, pero estos primeros resultados apuntan a que la metodología desarrollada puede ser el medio que facilite la creación de productos comerciales basados en dispositivos vivos”, concluye Javier Macía.

 

Artículo de referencia

Mogas-Díez, S., Gonzalez-Flo, E. & Macía, J. 2D printed multicellular devices performing digital and analogue computation. Nat Commun 12, 1679 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21967-x.

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