Convertir la seda en sensores

Los capullos de gusanos de seda enviados por cajas desde Japón a un laboratorio de óptica en la Universidad de Tufts tendrán un destino diferente al de aquellos que se dirigen a las fábricas textiles de todo el mundo. En lugar de tejerse en cortinas o ropa, las fuertes fibras proteicas que las orugas alguna vez hilaron alrededor de sí mismas se usarán para construir materiales ópticos que pueden servir como base para sensores y otros dispositivos. El bioingeniero Fiorenzo Omenetto, quien crea los dispositivos, espera finalmente construir sensores biodegradables implantables que puedan ayudar a monitorear el progreso de los pacientes después de la cirugía o rastrear enfermedades crónicas como la diabetes.

Fiorenzo Omenetto en los escalones del edificio de bioingeniería de Tufts, donde fabrica dispositivos ópticos de seda.

Omenetto se dio cuenta de que la seda era buena para algo más que camisas y corbatas, dice, cuando comenzó a hablar con David Kaplan, el jefe del departamento de ingeniería biomédica de Tufts, con quien comparte pasillo. Kaplan convierte las proteínas de seda en andamios compatibles con las células para la ingeniería de tejidos biológicos, incluidos los implantes de córnea. Los ingenieros de tejidos prefieren la fibra natural más fuerte que se conoce, la seda porque es mecánicamente resistente pero se degrada inofensivamente dentro del cuerpo.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2009.

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Formado como físico, Omenetto pensó que si la seda hacía buenas córneas artificiales, también podría ser buenos dispositivos ópticos. Resulta que, dice, los dispositivos de seda que está fabricando funcionan tan bien como los fabricados con materiales ópticos tradicionales como el vidrio y el plástico, en algunos casos, incluso mejor. Y a diferencia de esos materiales, la seda no necesita procesarse a altas temperaturas o con productos químicos agresivos.

Esa es una de las razones por las que la seda es tan adecuada para su uso en biosensores: debido a que los dispositivos de seda se pueden fabricar en un ambiente suave, es posible incorporar moléculas biológicas adicionales (como proteínas) a medida que se construyen. Estas moléculas sirven como sensores que, una vez integrados en los dispositivos de seda, pueden permanecer activos durante años. En los dispositivos que están desarrollando Omenetto y Kaplan, las proteínas incrustadas en el material óptico se unen eficazmente a un objetivo como el oxígeno o una proteína bacteriana; cuando lo hacen, la luz transmitida por el sensor cambia de color.

Receta óptica
La receta de Omenetto comienza con capullos hechos por el gusano de seda Bombyx mori. Primero, dice, se corta el capullo y se quita el gusano, para disgusto de los veganos. Carmen Preda, técnica de investigación superior, hierve los capullos en una solución que contiene la sal de carbonato de sodio. Esto ayuda a disolver la sericina, una glicoproteína pegajosa que mantiene unidos los capullos pero causa reacciones inmunes en los humanos. Una vez que las fibras de seda se secan, se disuelven en una solución de bromuro de litio. Cuando se enfría, Preda usa una jeringa para cargarlo en un cartucho de diálisis. Ella pone esto dentro de un vaso de precipitados con agua, que extrae la sal.

Lo que queda en el cartucho es una solución clara y viscosa de la proteína purificada fibroína de seda. Preda quita este jarabe de seda del cartucho con una jeringa y lo carga en una fila de tubos de ensayo; este es el material de partida para los componentes ópticos de Omenetto. Si quiere usar los componentes de un biosensor, puede agregar una proteína que se dirija a una molécula en particular, por ejemplo, la hemoglobina que se une al oxígeno, en esta etapa. Tienes esta buena solución a base de agua en la que puedes mezclar cualquier cosa, dice Omenetto.

La hemoglobina es una proteína relativamente estable, pero los materiales de seda también pueden preservar la actividad de proteínas menos resistentes, como las enzimas. Como caso de prueba, los investigadores de Tufts han creado estructuras de seda que contienen una enzima volátil de rábano picante llamada peroxidasa; Los sensores de glucosa pueden incorporar hexoquinasa, una enzima que se une al azúcar.

Los moldes utilizados para dar forma a la solución de proteína de seda en dispositivos ópticos están modelados con características a nanoescala. Estos detalles finos son importantes en óptica, ya que la luz interactúa mejor con las características a una escala no mayor que su propia longitud de onda, alrededor de 400 a 700 nanómetros en el caso de la luz visible. A la luz ambiental del laboratorio, las regiones con nanopatrones de los moldes de plástico brillan suavemente, como el interior de una concha de abulón.

Un dispositivo que han creado los investigadores es un holograma, lo que demuestra que la seda tiene la misma versatilidad que otros materiales ópticos. En la mesa del laboratorio, el postdoctorado Jason Amsden usa una pipeta para depositar la solución de seda en un molde grabado con el logo de Tufts. Deja el molde en el mostrador a temperatura ambiente durante unas ocho horas, el tiempo suficiente para que las proteínas se establezcan en un óvalo flexible e irregular que muestre el logotipo en un patrón tridimensional de rosas y azules iridiscentes.

En otros moldes del laboratorio, distintos tipos de dispositivos ópticos ya han terminado de secarse. Amsden elige uno y lo despega suavemente del molde con unas pinzas. El dispositivo es una tarjeta roja translúcida impregnada con hemoglobina y con un patrón de varios elementos ópticos, incluida una rejilla de difracción que divide la luz blanca en los colores que la componen.

Sensores de seda
La tarjeta actúa como un simple sensor de oxígeno: la luz que pasa a través de ella cambia ligeramente la longitud de onda, dependiendo de la cantidad de oxígeno que se haya unido a la hemoglobina incrustada. Estos cambios no se pueden ver a simple vista, pero se pueden detectar mediante un fotodiodo, un chip que convierte la luz en corriente eléctrica. Cuando se coloca una gota de sangre rica en oxígeno en el sensor, por ejemplo, la hemoglobina extrae oxígeno y la longitud de onda de la luz registrada por el fotodiodo cambia.

El oxígeno es solo uno de los posibles objetivos de los dispositivos de Omenetto. Las rejillas con anticuerpos y enzimas incrustadas en ellas podrían detectar casi cualquier molécula de interés médico, ya sea glucosa o un marcador tumoral. Y los investigadores de Tufts imaginan no solo sensores de laboratorio, sino también implantables. Una aplicación desarrollada por Omenetto será particularmente importante: fibras ópticas de seda para llevar la luz desde la superficie de la piel hasta los sensores implantados y la espalda, de modo que pueda ser leída por un fotodetector. Los sensores podrían implantarse durante cirugías como resecciones de tumores y luego usarse para monitorear a los pacientes en busca de signos de infección o cáncer recurrente. Omenetto y Kaplan también esperan integrar los sensores en futuras estructuras de ingeniería de tejidos que ayudarían a los médicos a rastrear qué tan bien se está incorporando un nuevo tejido al cuerpo. Los dispositivos se disolverían sin causar daño con el resto de las estructuras de soporte del tejido.

Los sensores del futuro, dice Omenetto, tendrán diseños que conducirán a cambios de color más dramáticos cuando los sensores se unan a sus objetivos. Para crear sensores que se puedan leer a simple vista, se inspiró en otro insecto, la mariposa morpho. Su color azul brillante no se debe a los pigmentos, sino a la forma en que la luz interactúa con los pilares de proteínas a nanoescala en sus alas. Cambiar la estructura de los pilares elimina el color. Omenetto imagina un sensor a base de seda con un patrón de estructuras a nanoescala que lo hacen parecer azul; una molécula diana que se une a las proteínas en el sensor cambiaría sutilmente las nanoestructuras, haciendo que el color cambie o desaparezca. Omenetto dice que existen las tecnologías básicas para hacer esto; es simplemente una cuestión de diseñar los moldes adecuados.

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