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¿Es ántrax o simplemente polvo blanco?
Cuando un paciente ingresa en el hospital con signos de una infección bacteriana sistémica peligrosa, o cuando un empleado de la oficina de correos encuentra un polvo blanco en un sobre de apariencia sospechosa, la capacidad de identificar rápidamente los patógenos potenciales es importante. Para lograrlo, un equipo de investigadores de Massachusetts está desarrollando un chip de microfluidos que realiza una secuenciación rápida del ADN para identificar rápidamente las bacterias. El objetivo es un dispositivo lo suficientemente simple para usar en aeropuertos y otros controles de seguridad.
Un dispositivo de microfluidos que está desarrollando U.S. Genomics y Draper Laboratory escanea hebras de ADN para identificar rápidamente las bacterias en una muestra.
Para identificar las bacterias en una muestra de sangre o en el sistema de ventilación de un edificio, los investigadores o médicos generalmente deben comenzar por persuadirla para que crezca en cultivo en el laboratorio. Esto demora entre 14 y 48 horas. Mientras tanto, un paciente con una infección resistente a los medicamentos puede recibir el antibiótico incorrecto, o los trabajadores médicos de emergencia pueden pasar por alto los signos de un posible ataque bioterrorista.
Investigadores en Genómica de EE. UU. , en Woburn, MA, y Laboratorio Draper , en Cambridge, MA, están trabajando juntos para mejorar la tecnología que permite la secuenciación e identificación de bacterias y otros patógenos sin cultivar. Los investigadores no leen todas las bases de una hebra de ADN, pero buscan patrones distintivos de repetición de una única secuencia muy corta. Solo hay cuatro elementos en el código genético, por lo que las longitudes de base de seis a ocho, como GTAGCC, ocurren muchas veces en todos los genomas. Pero en cada especie, tal secuencia ocurrirá en un patrón único. Incluso diferentes cepas del mismo tipo de bacterias tendrán patrones de identificación únicos de una secuencia corta determinada.
U.S. Genomics ha creado una base de datos de estos patrones, a los que llama códigos de barras, para muchas especies y cepas bacterianas. Debido a que el trabajo está siendo financiado por el Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU., La compañía no revelará cuántos patógenos hay en su base de datos o cuáles son. El científico de planta Jeff Krogmeier dice que la agencia gubernamental está interesada en un instrumento que se colocaría en un aeropuerto, centro comercial u otra área pública y monitorearía continuamente el aire. Su chip de análisis compacto es un paso en esta dirección, ya que puede identificar bacterias basándose en el análisis de cadenas largas de ADN que no necesitan un tratamiento extenso. Solo necesitamos unas pocas moléculas [de ADN], dice Krogmeier.
Primero, el ADN debe extraerse de la muestra y etiquetarse con una etiqueta fluorescente que se adhiere solo a los lugares a lo largo de la hebra donde ocurre la secuencia corta de interés. (U.S. Genomics está trabajando para simplificar este paso, que actualmente debe realizarse en el laboratorio). A continuación, se introducen moléculas largas de ADN en un chip de microfluidos, donde la presión hidrostática las empuja a una velocidad constante a través de un canal estrecho. A medida que el ADN etiquetado fluye a través del canal, pasa sobre un rayo de luz de enfoque muy estrecho. Cuando el ADN pasa por encima del haz, las etiquetas emiten fluorescencia. Los destellos de luz de las etiquetas se registran como un código de barras y se comparan con la base de datos de Genomics de EE. UU. Para identificar el organismo de donde proviene el ADN.
En la encarnación actual de los chips de ADN de la empresa, los patrones de códigos de barras se leen con una resolución de 0,5 micrómetros. La versión desarrollada por U.S. Genomics and Draper Laboratory utiliza una guía de ondas y nanoantenas para enfocar la luz a un tamaño de punto mucho más pequeño que la mitad de su longitud de onda, lo que brinda una resolución mucho más alta y permite que el dispositivo lea hebras más cortas con mayor precisión. Además, la luz de estas antenas es 10 veces más intensa, lo que significa una señal más fuerte, dice Jonathan Bernstein, investigador de Draper que trabaja en el proyecto. Y enfocar la luz con las nanoantenas en lugar de con una lente significa que los chips son más compactos y resistentes.
Krogmeier dice que el Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. Está interesado no solo en identificar patógenos, sino también en identificar si han sido manipulados. Un bioterrorista que intenta producir ántrax o E. coli más mortíferos o más fáciles de dispersar a menudo intentarían hacerlo agregando largos tramos de ADN de otro organismo. El chip de U.S. Genomics, dice Krogmeier, podría detectar tal manipulación.
Bernstein dice que los canales de microfluidos también podrían ser útiles para buscar moléculas además del ADN. Las técnicas de laboratorio comunes como la PCR, el proceso utilizado para hacer muchas copias de una sola hebra de ADN, simplemente no existen para estudiar el ARN y las proteínas; como resultado, son más difíciles de identificar y manipular. La mayor parte de la célula no es ADN, dice Bernstein. Algo como el chip de microfluidos que ha desarrollado para U.S. Genomics, dice, podría ser muy útil para estudiar otras moléculas biológicas.