Científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han empleado la técnica de la evolución dirigida para construir nanopartículas sintéticas que pueden emplearse como biosensores ópticos. Estos pequeños dispositivos utilizan la luz para detectar moléculas biológicas en el aire, el agua o la sangre.
Los biosensores ópticos se utilizan ampliamente en la investigación biológica, el desarrollo de fármacos y los diagnósticos médicos, como la monitorización en tiempo real de la insulina y la glucosa en diabéticos.
Evolución dirigida
El Premio Nobel de Química de 2018 fue otorgado a George P. Smith, Frances Arnold y Gregory Winter, tres científicos que desarrollaron el método que cambió para siempre la ingeniería de proteínas: la evolución dirigida. Imitando la evolución natural, este planteamiento técnico de la biotecnología guía la síntesis de proteínas con funciones nuevas o mejoradas.
Primero, la proteína original se muta para crear una colección de variantes de proteínas mutantes. Se seleccionan las variantes que muestran funciones mejoradas o más deseables. Estas proteínas seleccionadas se vuelven a mutar una vez más para crear otra colección de variantes de proteínas para otra ronda de selección. Este ciclo se repite hasta que una proteína mutada final evoluciona con un rendimiento optimizado en comparación con la proteína original.
En esta investigación, los científicos han ido un paso más allá, y han logrado crear nanopartículas sintéticas, en lugar de las proteínas, para modificar las propiedades de unos nanotubos de carbono con aplicaciones tecnológicas, médicas o biológicas.
Adelantarse al conocimiento de la función de las proteínas
"La belleza de la evolución dirigida es que podemos diseñar una proteína sin siquiera saber cómo su estructura está relacionada con su función", señala la profesora Ardemis Boghossian. "Y ni siquiera tenemos esta información para la gran mayoría de las proteínas".
Su grupo usó la evolución dirigida para modificar las propiedades optoelectrónicas de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT por sus siglas en inglés) envueltos en ADN.
El resultado es ADN-SWCNT, tubos de tamaño nanométrico de átomos de carbono que se asemejan a las hojas enrolladas de grafeno cubiertas por ADN. Cuando detectan su objetivo, los ADN-SWCNT emiten una señal óptica que puede penetrar a través de fluidos biológicos complejos, como la sangre o la orina.
Usando un enfoque de evolución dirigida, el equipo de Boghossian pudo diseñar nuevos ADN-SWCNT con señales ópticas que se incrementaron hasta en un 56 por ciento, y lo hicieron solo en dos ciclos de evolución.
"La mayoría de los investigadores en este campo simplemente seleccionan grandes bibliotecas de diferentes materiales con la esperanza de encontrar una con las propiedades que están buscando", explica Boghossian. “En los nanosensores ópticos, intentamos mejorar propiedades como la selectividad, el brillo y la sensibilidad. Al aplicar la evolución dirigida, proporcionamos a los investigadores un enfoque guiado para diseñar estos nanosensores".
El estudio muestra que lo que es esencialmente una técnica de bioingeniería puede utilizarse para ajustar de manera más racional las propiedades ópticas y electrónicas de ciertos nanomateriales.
“Los campos como la ciencia de los materiales y la física están principalmente preocupados por definir las relaciones estructura-función del material, lo que hace que los materiales que carecen de esta información sean difíciles de diseñar”, señala Boghossian. “Pero este es un problema que la naturaleza resolvió hace miles de millones de años y, en las últimas décadas, los biólogos también lo han abordado”.
“Creo que nuestro estudio muestra que, como científicos y físicos de los materiales, todavía podemos aprender algunas lecciones pragmáticas de los biólogos”, concluye Boghossian.
Referencia
Directed evolution of the optoelectronic properties of synthetic nanomaterials. B. Lambert et al. Chemical Communications, 27 February 2019. DOI: 10.1039/c8cc08670b.