Estudiar los movimientos de ciertas moléculas individuales presentes en la sangre, el agua o los alimentos, como algunas proteínas o la glucosa, puede aportar información crucial sobre su implicación en los procesos biológicos. Pero a escalas tan diminutas disponer de métodos precisos para observar su comportamiento supone todo un reto.

En la Universidad de California, en Irvine (Estados Unidos), un equipo de científicos ha diseñado un nuevo sistema que lo ha conseguido gracias a un pequeño transistor fabricado con un nanotubo de carbono y vinculado a una enzima llamada lisozima. Por ahora, el método ya les ha permitido descubrir cómo  esta proteína, que está presente en las lágrimas, ‘mastica’ y destruye bacterias peligrosas para el organismo.

Su estudio, publicado recientemente en la revista Science, abre una nueva vía para la detección de otras moléculas, por ejemplo, relacionadas con estadios tempranos de cáncer, según han declarado los profesores Philip Collins y Gregory Weiss, que han liderado la investigación.

La existencia de la lisozima se conoce desde hace casi un siglo, pero la información sobre cómo ejerce su función antiséptica contra bacterias mucho más grandes que ella era limitada. Ahora, los investigadores han descubierto que utiliza unas ‘mandíbulas’ para agarrar y ‘masticar’ la membrana celular de sus oponentes. Además de resolver este misterio, los científicos creen que el sistema de monitoreo celular que han usado puede utilizarse además para detectar varias enfermedades, si se sustituye en él a la lisozima por otras proteínas que reaccionen, por ejemplo, ante moléculas asociadas con el cáncer.

El método ideado por los investigadores de Irvine se basa en la unión de una sola molécula de esta enzima a un transistor de efecto campo diminuto, en el que el material activo es un nanotubo de carbono. Al moverse para atacar a las bacterias invasoras, en la superficie de la proteína  que está en contacto con el nanotubo se generan campos electrostáticos que tienen un efecto ’gating’ en el dispositivo, es decir, la actividad de la molécula regula una de las partes del transistor, la puerta, que actúa permitiendo o cortando el flujo de electrones que pasan a través del dispositivo.  

De esta forma, el transistor actúa como un amplificador de los movimientos de la proteína.  "Nuestro circuito es un micrófono de tamaño molecular", afirma Collins, profesor de física y astronomía en la Facultad de Ciencias Físicas. "Es como un estetoscopio que escucha el latido del corazón, pero en este caso estamos ‘escuchando’ una sola molécula”.

Este dispositivo contiene todos los elementos habituales de un transistor de efecto campo (FET, por sus siglas en inglés), pero para estudiar el comportamiento de la enzima los investigadores han construido uno de los más diminutos que existen, 25 veces más pequeño que los circuitos del mismo tipo que se usan en portátiles o en smartphones. “Es un dispositivo nanoscópico, lo que permite que incluso un pequeño campo eléctrico local pueda tener un efecto  y una amplificación enorme”, explica Federico Rosei, profesor en la Cátedra de Investigación en Nanomateriales Orgánicos e Inorgánicos de la Universidad de Quebec (Canadá).

Hasta ahora las técnicas más empleadas para observar la dinámica molecular han sido las de espectroscopía de fluorescencia. En ellas se correlacionan los movimientos moleculares con reacciones químicas que generan un flujo de fotones que puede ser amplificado y analizado.

En el caso de este dispositivo, el transistor no registra flujos de fotones, sino de electrones, que se generan debido a los cambios en los potenciales electrostáticos que se producen en la superficie de la molécula a la que está unido. Estas señales son similares a los flujos de fotones de los experimentos con fluorescencia pero los investigadores se aprovechan de que la unidimensionalidad del nanotubo permite una gran sensibilidad de puerta y favorece “un ancho de banda ventajoso“ y una limitada cantidad de interferencias.

El ancho de banda conseguido por Collins y Weiss con este sistema es una característica fundamental, ya que permite observar incluso los cambios más rápidos que se producen en la proteína. En los experimentos de fluorescencia, una molécula marcada con un componente fluorescente absorbe cierta energía dependiendo de la actividad molecular y la vuelve a emitir en forma de fotones de luz, a un ritmo de aproximadamente un fotón cada 100 microsegundos. Por tanto, durante los 99 microsegundos que trascurren entre un fotón y el siguiente, el experimento no puede 'ver' qué está haciendo la molécula. Por ello, las técnicas de fluorescencia son incapaces de monitorizar los cambios más rápidos -los que se producen a escala de milisegundos-, que el transistor de Irvine sí puede observar. “La medición electrónica es mucho mejor porque se basa en una corriente de nanoamperios”, explica Collins. “Esto significa un ritmo un millón de veces superior al de los fotones”.

Además, los dispositivos eléctricos sufren menos las fluctuaciones de señal inducidas por el propio sistema y por las interferencias del ambiente. “Son sistemas más robustos y suelen tener menos problemas en cuanto a los ruidos”, concuerda Arben Merkoçi, investigador del Instituto Catalán de Nanotecnología (ICN), en España, a cuyo patronato se ha incorporado recientemente el Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

La gran sensibilidad  y reproductibilidad de este dispositivo lo convierten en un método con gran potencial de aplicación como biosensor, pero según los investigadores la prioridad es llegar a utilizarlo para detectar biomoléculas asociadas al cáncer “Hemos diseñado un nanodispositivo muy sensible basado en la lisozima pero en teoría este sistema podría ser ampliamente aplicado a varias enfermedades”, afirma Weiss.

Merkoçi, que dirige el grupo de Nanoelectrónica y Biosensores en el ICN, coincide en que la versatilidad de la propuesta es una de sus grandes ventajas. “Lo más interesante es que su técnica de medida podría ser más accesible que otras como la espectroscopia“, afirma. Sin embargo, su potencial aplicación al campo del diagnóstico genera aún cierto escepticismo. En este sentido, Rosei considera que podría utilizarse como sensor para moléculas como por ejemplo, la glucosa, pero que “no es realista” para diagnosticar enfermedades. “Además, el escalado del prototipo será un desafío muy complicado”, añade el investigador de la Universidad de Quebec.

Respecto a la capacidad de utilizar métodos de fabricación disponibles para producir este tipo de dispositivos a escala, los investigadores explican que han utilizado técnicas de litografía convencional para incorporar los transistores a obleas de silicio de 4 pulgadas en las que existe “una baja concentración de nanotubos dispersos por su superficie“. Weiss pronostica que los procesos  de fabricación “pueden manejar estas obleas” por lo que no habría inconveniente en utilizar métodos convencionales en su fabricación.

Además, en este tipo de aplicaciones, la variabilidad no supondría un inconveniente crítico a la hora de fabricar en serie. “Nuestro dispositivo consiste en un solo transistor, no en un complejo conjunto de circuitería, por lo que podemos tolerar tasas de fallo en los dispositivos de hasta un 10 por ciento”, explica Collins. “Este rendimiento no sería aceptable para memorias o procesadores que requieren muchos dispositivos funcionando juntos –reconoce- pero sí es efectivo para escalar nuestro trabajo.”

Aunque este método basado en la tecnología del silicio está ampliamente contrastado, una de las tendencias hoy en día en el desarrollo de biosensores y nanosensores es intentar conectar el sistema de detección nanoscópico con el mundo real macroscópico. “Nosotros estamos trabajando en que los nanosensores detectores de células o proteínas relacionadas con el cáncer o el alzhéimer estén en una plataforma que permita el muestreo de volúmenes grandes para poder capturar incluso muy pocas proteínas o células dispersas”, explica Merkoçi. “Este dispositivo es muy sensible y tiene mucho interés para la investigación en este campo, pero hay que ver su funcionamiento en muestras reales y de volúmenes grandes en las que, además, puede haber otras moléculas que interfieran con las pequeñas cantidades de lo que pretendemos detectar”, concluye Merkoçi.